DE102015112854A1

DE102015112854A1 - Reaktiv-Sputteranordnung und Prozessieranordnung

Info

Publication number: DE102015112854A1
Application number: DE102015112854.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Linss
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Reaktiv-Sputteranordnung (200) Folgendes aufweisen: mindestens eine Rohrkathode (102k), welche mittels einer Lageranordnung (112e) drehbar gelagert ist; eine Antriebsvorrichtung zum Rotieren der mindestens einen Rohrkathode (102k) um eine Rotationsachse (201); eine Magnetanordnung (104), die in der mindestens einen Rohrkathode (102k) in einer Verkippungsrichtung (201k) um die Rotationsachse (201) verkippt angeordnet ist; wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode (102k) in einer Rotationsrichtung (201r) zu rotieren, die der Verkippungsrichtung (201k) entgegengesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktiv-Sputteranordnung und eine Prozessieranordnung.
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 Magnetron-Sputtern. Beim reaktiven Sputtern bzw. reaktiven Magnetron-Sputtern wird zum einen ein Arbeitsgas (z.B. Argon) verwendet, um das Targetmaterial (d.h. die Kathode) 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 mindestens ein Reaktionsprodukt auf dem Substrat abgeschieden wird oder auf dem Substrat gebildet wird.
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 und/oder Reaktivgases) mittels einer Prozessgaszuführung oder mittels einer Gaszufuhrregelung in den betreffenden Bereich der Sputter-Prozesskammer.
Ferner kann die Sputteranordnung mindestens einen Generator zum Bereitstellen der elektrischen Spannung an einer Magnetronkathode und des entsprechenden elektrischen Stroms zwischen der Magnetronkathode und mindestens einer Anode aufweisen. Der elektrische Strom, welcher bei einer jeweils angelegten Spannung zwischen der Magnetronkathode 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 (d.h. das Arbeitsgas und/oder das Reaktivgas) mittels einer entlang der Längserstreckung segmentierten Gaszuführung (auch als segmentierter Gaskanal bezeichnet) 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 Kathode 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 Kathode 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.
Ein Magnetron kann beispielsweise mindestens eine Magnetronkathode aufweisen, wobei die Magnetronkathode eine Kathode (z.B. eine Rohrkathode) mit einem zu zerstäubenden Material (als Targetmaterial bezeichnet) und ein relativ zu der Kathode angeordnete Magnetanordnung aufweisen. Dabei kann die Kathode aus dem Targetmaterial bestehen und selbst zerstäubt werden oder die Kathode kann das Targetmaterial aufweisen, z.B. kann das Targetmaterial auf einer Oberfläche der Kathode freiliegen. Ferner kann die Magnetanordnung (auch als Magnetsystem bezeichnet) derart eingerichtet sein und derart relativ zu der Magnetronkathode angeordnet sein, dass über dem Targetmaterial (z.B. über der Außenmantelfläche einer Rohrkathode) ein Plasmabildungsbereich bereitgestellt wird (z.B. ein ringförmig geschlossener Plasmabildungsbereich, d.h. ein so genannter Racetrack), wobei der Plasmabildungsbereich zwei (z.B. nebeneinander verlaufende) längserstreckte Bereiche und zwei die längserstreckten Bereiche ringförmig verbindende Umkehrbereiche aufweisen kann.
Die Kathode und die Magnetanordnung (und somit auch der Plasmabildungsbereich bzw. die längserstreckten Bereiche des Plasmabildungsbereichs) können sich im Wesentlichen in die gleiche Richtung erstrecken.
Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, für eine gegebene (d.h. vordefinierte) Schichtstruktur (welche auf einem Träger abgeschieden werden soll) die maximal mögliche Abscheiderate bereitzustellen.
Ferner soll die Homogenität der abgeschiedenen Schicht quer zur Transportrichtung des Trägers gewährleistet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Magnetron zwei nebeneinander angeordnete Rohrkathoden aufweisen, wobei in jeder der Rohrkathoden eine Magnetanordnung bereitgestellt ist, welche den jeweiligen Plasmabildungsbereich der Rohrkathode definiert (auch als Doppel-Rohrmagnetron bezeichnet). Dabei sind die beiden Rohrkathoden beispielsweise jeweils separat mittels so genannter Endblöcke drehbar gelagert. Das Doppel-Rohrmagnetron kann als eine funktionelle Einheit eingerichtet sein, z.B. kann das Doppel-Rohrmagnetron zum MF-Sputtern verwendet werden, wobei dann zeitlich abwechselnd jeweils eine der beiden Rohrkathoden als Kathode und die andere der beiden Rohrkathoden als Anode fungiert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Doppel-Rohrmagnetron bereitgestellt, wobei sich für die zwei drehbar gelagerten Rohrkathoden verschiedene Möglichkeiten des Betriebs ergeben. Mittels der beiden Rohrkathoden soll eine effiziente reaktive Sputterbeschichtung realisiert werden, wobei dazu eine Vielzahl von möglichen Parametern zum Steuern bzw. Regeln verwendet werden können. Diese große Auswahl macht es schwierig, einen geeigneten stabilen Beschichtungsprozess zu finden und dauerhaft zu halten. Insbesondere kann ein reaktiver Sputterprozess, welcher im so genannten Übergangsmodus durchgeführt werden soll, d.h. in einem Modus zwischen einem metallischen Modus (in welchem die Rohrkathode metallisch verbleibt) und einem oxidischen Modus (in welchem die Rohrkathode chemisch oxidiert ist, z.B. kann die Oberfläche der Rohrkathode während des Sputterns oxidiert und/oder nitridiert sein), jeweils in die beiden Modi umkippen, so dass es schwierig sein kann, die Sputteranordnung im Übergangsmodus zu betreiben. Ferner kann es sogar schwierig sein, nur eine Rohrkathode über deren gesamte Länge (z.B. von mehr als einem Meter) in dem vordefinierten Sputtermodus zu halten (z.B. im Übergangsmodus). Im oxidischen Modus kann im Allgemeinen auch keine ausreichend hohe Sputterrate erreicht werden, so dass damit das reaktive Sputtern, sofern es nur im oxidischen Modus stabil gehalten werden kann, wirtschaftlich uninteressant werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass es eine optimale Rotationsrichtung-Kombination für zwei Rohrkathoden eines Doppel-Rohrmagnetrons geben kann, welche beispielsweise abhängig von einem Verkippungswinkel deren Magnetanordnungen relativ zur Substratnormalen (d.h. senkrecht zu einer zu beschichtenden Oberfläche eines Substrats) sein kann. Diese Rotationsrichtung-Kombination kann beispielsweise ermittelt werden und führt zu einer Erhöhung der maximal möglichen Abscheiderate im reaktiven Sputterprozess mittels eines Doppel-Rohrmagnetrons.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass es eine optimale Rotationsrichtung-Kombination für zwei Rohrkathoden eines Doppel-Rohrmagnetrons geben kann, abhängig von dem in einer Prozesskammer herrschenden Gasfluss, wobei die Rotationsrichtung einer jeweiligen Rohrkathode derart gewählt werden sollte, dass die Oberfläche der jeweiligen Rohrkathode (zumindest im Bereich des Racetracks) immer entgegen der Richtung des Gasflusses bzw. Gaspartialdruckgradienten rotiert wird. Die geeignete Rotationsrichtung-Kombination führt zu einer Erhöhung der maximal möglichen Abscheiderate im Sputterprozess und zu einer Erhöhung der Homogenität (quer zur Transportrichtung eines Substrates betrachtet) einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht.
In analoger Weise kann die Rotationsrichtung einer einzelnen Rohrkathode einen entsprechenden Einfluss auf die mittels der Rohrkathode abgeschiedenen Schicht haben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass ein Verkippen der Magnetanordnung in einer Rohrkathode die Stöchiometrie der abgeschiedenen Schicht beeinflussen kann. Das kann beispielsweise darauf zurückgeführt werden, dass erkannt wurde, dass selbst zwei parallel nebeneinander verlaufende Bereiche eines Racetracks (auch als Plasmaerzeugungsbereich bezeichnet) eines Rohrmagnetrons nicht mit der gleichen Stöchiometrie brennen. Noch komplexer gestaltet sich der Fall, wenn zwei Rohrkathoden nebeneinander betrieben werden, wie es bei einem Doppel-Rohrmagnetron der Fall ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Reaktiv-Sputteranordnung Folgendes aufweisen: mindestens eine Rohrkathode, welche mittels einer Lageranordnung drehbar gelagert ist; eine Antriebsvorrichtung zum Rotieren der mindestens einen Rohrkathode um eine Rotationsachse; eine Magnetanordnung, die in der mindestens einen Rohrkathode in einer Verkippungsrichtung um die Rotationsachse verkippt angeordnet ist; wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode in einer Rotationsrichtung zu rotieren, die der Verkippungsrichtung entgegengesetzt ist. Dies kann insbesondere bei homogen verteiltem Reaktivgas hilfreich sein.
Allgemein kann der Vergleich der Rotationsrichtung mit der Verkippungsrichtung vektoriell erfolgen, wobei der Rotationsrichtungs-Vektor und der Verkippungsrichtungs-Vektor, z.B. nach der Rechte-Hand-Regel, jeweils parallel zur Rotationsachse und antiparallel zueinander sind. Alternativ (zum gleichen Ergebnis führend) kann der Vergleich der Rotationsrichtung mit der Verkippungsrichtung mittels des entsprechenden Bahnvektors erfolgen, wobei der Bahnvektor der Rotation und der Bahnvektor der Verkippung antiparallel zueinander liegen. Die Verkippung der Magnetanordnung kann als Verdrehen der Magnetanordnung innerhalb der Rohrkathode um die Rotationsachse verstanden werden, wobei der Verdrehwinkel vordefiniert festgesetzt ist. Die Referenzlage, gegenüber welcher eine Verdrehung des Magnetsystems festzustellen ist, ergibt sich aus dem üblicherweise symmetrischen Aufbau der Sputteranordnung, denn Allgemein ist die Magnetanordnung derart eingerichtet, dass der jeweils geringste Abstand der beiden mittels der Magnetanordnung definierten parallel nebeneinander verlaufenden Bereiche des Racetracks zu einer Substratebene (oder auch einer gekrümmten Substratfläche), in welche ein Substrat beschichtet werden soll, gleich ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Lageranordnung ein Wandelement (auch als Deckelelement oder Deckelplatte bezeichnet) aufweisen, wobei das Wandelement derart eingerichtet ist, dass eine dazu passende Kammeröffnung einer Prozesskammer (z.B. einer Sputter-Prozesskammer) mittels des Wandelements abgedeckt werden kann. Ferner kann die Lageranordnung derart eingerichtet sein oder werden, dass, wenn das Wandelement die Kammeröffnung der Prozesskammer abdeckt (z.B. vakuumdicht verschließt, so dass die Prozesskammer evakuiert werden kann), die mindestens eine Rohrkathode innerhalb der Prozesskammer gehalten wird. Anschaulich kann ein Magnetrondeckel bereitgestellt sein oder werden, welcher die mindestens eine Rohrkathode mit der darin liegend angeordneten Magnetanordnung, das Wandelement und die Antriebsvorrichtung aufweist, wobei der Magnetrondeckel auf eine dazu passende Kammeröffnung der Prozesskammer aufgesetzt werden kann, so dass ein Substrat innerhalb der Prozesskammer beschichtet werden kann.
Ferner kann das Wandelement auch Teil der Prozesskammer sein, wobei die Magnetronkathoden an diesem Teil der Prozesskammer befestigt sein können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandelement auch eine Kammerwand einer Prozesskammer sein.
Die mindestens eine Rohrkathode kann drehbar gelagert sein, z.B. drehbar um die Rohrachse der Rohrkathode. Dazu kann die Magnetronanordnung bzw. die Lageranordnung beispielsweise mindestens einen Endblock (z.B. einen Endblock oder zwei Endblöcke) aufweisen, mittels dessen die Rohrkathode drehbar gelagert sein kann oder werden kann. Ferner kann der mindestens eine Endblock eingerichtet sein, die Rohrkathode zu versorgen, z.B. mit Kühlwasser und/oder elektrischer Energie, und anzutreiben, z.B. mittels einer Kupplung zu einem Motor. Die Rohrkathode kann mittels des mindestens einen Endblocks an dem Wandelement montiert sein oder werden.
Die Magnetanordnung kann beispielsweise zwei äußere Magnetreihen und eine innere Magnetreihe aufweisen, wobei die beiden äußeren Magnetreihen bezüglich einer Spiegelebene spiegelsymmetrisch um die innere Magnetreihe angeordnet sind. Diese drei Magnetreihen können beispielsweise zwei parallel nebeneinander angeordnete längserstreckte Bereiche des Racetracks definieren. Ferner kann die Magnetanordnung an den jeweiligen Endabschnitten der Magnetreihen derart eingerichtet sein, dass die parallel nebeneinander angeordneten längserstreckten Bereiche des Racetracks zu einem umlaufend geschlossenen Racetrack verbunden sind.
Es versteht sich, das geringe Abweichungen von der Symmetrie der Magnetbars gemacht werden könne, um beispielsweise diese hinsichtlich des Cross-Corner-Effekts (CCE) zu optimieren. Beispielsweise kann das Magnetfeld entlang der Diagonalen gesehen an den Endabschnitten angepasst sein oder werden, um den Cross-Corner-Effekt möglichst zu verhindern. Ferner können die jeweils längserstreckten Abschnitte der Magnetanordnung, welche die jeweiligen längserstreckten Abschnitte des Racetracks erzeugen, spiegelsymmetrisch gestaltet sein, wobei bei den Endstücken der Magnetanordnung von der Symmetrie abweichend ausgestaltet sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandelement eine Normalen-Richtung senkrecht zu dem Wandelement definieren, und wobei die Magnetanordnung derart um die Rotationsachse verkippt angeordnet ist, dass die Spiegelebene in einem Winkel (d.h. nicht parallel) zur Normalen-Richtung liegt. Anschaulich kann das Wandelement die Referenzlage der Magnetanordnung definieren, aus welcher diese heraus gedreht bzw. verkippt ist, nämlich die Lage der Magnetanordnung, in der die Spiegelebene parallel zur Normalen-Richtung des Wandelements ist. Üblicherweise ist eine Sputteranordnung derart eingerichtet, dass das Wandelement, an welchem die mindestens eine Rohrkathode befestigt ist, parallel zur Substrattransportebene bzw. senkrecht zur Normalen der zu beschichtenden Substratoberfläche ausgerichtet ist.
In dem Fall, dass kein von der Prozesskammer abnehmbarer Magnetrondeckel verwendet wird, sondern fest installierte Komponenten, kann beispielsweise auch die Substrattransportebene bzw. die Normalen-Richtung der zu beschichtenden Substratoberfläche die Referenzlage definieren, nämlich die Lage der Magnetanordnung, in der die Spiegelebene parallel zur Normalen-Richtung zu beschichtenden Substratoberfläche ausgerichtet ist bzw. in der die Spiegelebene senkrecht zur Substrattransportebene ausgerichtet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Rohrkathode zwei Rohrkathoden aufweisen, wobei die beiden Rohrkathoden achsparallel nebeneinander angeordnet sind, wobei die jeweilige Magnetanordnung der beiden Rohrkathoden zueinander entgegengesetzt verkippt angeordnet sind. Anschaulich können die jeweiligen Magnetanordnungen zweier Magnetronkathoden beide aufeinander zu gekippt sein oder voneinander weg gekippt sein.
Dabei kann die Antriebsvorrichtung derart eingerichtet sein oder werden, dass die beiden Rohrkathoden in entsprechend entgegengesetzte Rotationsrichtungen rotieren. Mit anderen Worten, wenn die Verkippungsrichtungen der beiden Magnetanordnungen einander entgegengesetzt sind, sind auch beide Rotationsrichtungen der Rohrkathoden einander entgegengesetzt. Allerdings kann auch die Gaszuführung der ausgestaltet sein oder werden, dass der Effekt des Verkippens kompensiert werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung folgendes aufweisen: eine Prozesskammer (auch als Sputter-Prozesskammer bezeichnet), welche einen Beschichtungsbereich aufweist; ein Transportsystem zum Transportieren eines Substrats innerhalb des Beschichtungsbereichs; eine Reaktiv-Sputteranordnung, wie hierin beschrieben ist, zum Beschichten des Substrats innerhalb des Beschichtungsbereichs.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Transportsystem (auch als Transportvorrichtung bezeichnet) eine Transportfläche (sowie eine Transportrichtung) definieren, entlang derer das zu beschichtende Substrat transportiert wird, wobei die Magnetanordnung derart um die Rotationsachse verkippt angeordnet ist, dass zwei von der jeweiligen Magnetanordnung definierte (z.B. bezüglich einer Richtung senkrecht zur Rohrachse der Rohrkathode nebeneinander angeordnete) längserstreckte Plasmaerzeugungsbereiche einen unterschiedlichen Abstand zur Transportfläche aufweisen. Anschaulich wird die Lage des Racetracks von der Magnetanordnung in der Rohrkathode definiert, wobei eine Verkippung der Magnetanordnung eine Verschiebung des Racetracks auf der Rohrmantelfläche zur Folge hat. Somit kann eine Magnetanordnung immer dann als verkippt angesehen werden, wenn die erzeugten längserstreckten Plasmaerzeugungsbereiche nicht mehr den gleichen Abstand (z.B. geringsten Abstand, d.h. gemessen in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche) zu dem zu beschichtenden Substrat bzw. zu der Transportfläche aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Transportvorrichtung eine Vielzahl von Transportrollen aufweisen, welche die Transportebene (d.h. eine ebene Transportfläche) definieren. Dabei definiert die Rotationsrichtung der Transportrollen die Transportrichtung. Alternativ kann eine Transporttrommel, z.B. bei einem Folienbeschichtungs-Prozess, eine gekrümmte Transportfläche definieren. Anschaulich kann der Beschichtungsbereich ein Stück des Trommelumfanges sein oder sich entlang des Trommelumfangs erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: mindestens eine Prozesskammer; mindestens eine in der Prozesskammer angeordnete Rohrkathode; eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen der mindestens einen Rohrkathode; mindestens eine Gaszuführung zum Zuführen von Gas in einer Gasflussrichtung in die Prozesskammer; wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode in einer Rotationsrichtung zu rotieren, so dass eine Oberfläche der mindestens einen Rohrkathode entgegen der Gasflussrichtung (entgegen des Gaspartialdruckgradientens) bewegt wird. Dabei kann der jeweilige Bereich der Oberfläche der mindestens einen Rohrkathode relevant sein, welcher mittels des in dem Plasmabildungsbereich bereitgestellten Plasmas zerstäubt wird, d.h. der Oberflächenbereich der Rohrkathode, welcher jeweils unterhalb des Racetracks liegt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Prozesskammer, welche einen Beschichtungsbereich aufweist; ein Transportsystem zum Transportieren eines Substrats innerhalb des Beschichtungsbereichs; eine Reaktiv-Sputteranordnung zum Beschichten des Substrats innerhalb des Beschichtungsbereichs, wobei die Reaktiv-Sputteranordnung zwei Rohrkathoden aufweist, welche nebeneinander angeordnet sind, eine Antriebsvorrichtung zum Rotieren der beiden Rohrkathoden um jeweils eine Rotationsachse, wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, dass die beiden Rohrkathoden in die gleiche Richtung rotieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1A eine Magnetronkathode in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1B eine Magnetronkathode in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1C eine Magnetronanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1D eine Magnetronanordnung mit einer Gaszuführung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 eine Reaktiv-Sputteranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 eine Prozessieranordnung mit einer Reaktiv-Sputteranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4A und 4B jeweils eine Prozessieranordnung mit einer Reaktiv-Sputteranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5A und 5B jeweils gemessene Abscheideraten bei verschiedenen Drehrichtung-Kombinationen der Rohrkathoden einer Magnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 eine Magnetronanordnung mit einer Gaszuführung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
7 bis 9 jeweils gemessene Intensitätsverhältnisse der Plasmaemission verschiedener Racetrack-Hälften einer Magnetronanordnung bei verschiedenen Drehrichtung-Kombinationen der Rohrkathoden der Magnetronanordnung;
10A eine Magnetronanordnung mit einer Gaszuführung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
10B eine Magnetronanordnung mit einer Gaszuführung 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. Dabei kann das abzuscheidende Schichtmaterial beispielsweise ein Metalloxid, ein Halbmetalloxid, ein Metallnitrid, ein Halbmetallnitrid, ein Metalloxinitrid, ein Halbmetalloxinitrid, ein Metallcarbid und/oder ein Halbmetallcarbid aufweisen, wobei das Metall (z.B. mittels des Targets bereitgestellt) beispielsweise Aluminium, Magnesium, Titan, Zinn, Zink, Indium oder Zirkon aufweisen kann und/oder wobei das Halbmetall (z.B. mittels des Targets bereitgestellt) beispielsweise Silizium, Bor oder Germanium aufweisen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stöchiometrie des Reaktivprozesses am Target derart geeignet eingestellt sein oder werden, z.B. mittels einer segmentieren Gaszuführung und einer entsprechend eingerichteten Regelung, dass am Substrat Schichten definierter Stöchiometrie kondensieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können 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) derart bereitgestellt sein oder werden, dass eine Schicht mit den gewünschten (z.B. mit vordefinierten) Schichteigenschaften auf einem zu beschichtenden Substrat abgeschieden werden kann. Das Einlassen des Reaktivgases (oder des Prozessgases) kann beispielsweise nahe an den beiden längserstreckten Bereichen des Racetracks erfolgen, um die beiden längserstreckten Bereiche des Racetracks möglichst lokal beeinflussen zu können. Das Einlassen des Prozessgases kann beispielsweise auch an den beiden Racetracks-Umkehren erfolgen, um die beiden Racetracks-Umkehren möglichst lokal beeinflussen zu können.
Die lokale Stöchiometrie des Plasmas kann beispielsweise mittels optischer Emissions-Spektrometrie (OES) ermittelt werden, so dass beispielsweise die Reaktivgasflüsse und/oder Arbeitsgasflüsse lokal angepasst werden können (z.B. basierend auf der OES geregelt werden können). Somit können beispielsweise die Prozesse am Target kontrolliert werden und somit auch die Schichtstöchiometrie und/oder die Schichteigenschaften der auf dem Substrat aufwachsenden Schicht.
1A veranschaulicht eine Magnetronkathode 102 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Magnetronkathode 102 kann mindestens eine Rohrkathode 102k (auch als Targetrohr bezeichnet) mit einer zu zerstäubende Oberfläche 102o aufweisen, wobei in 1A eine schematische Draufsicht auf die zu zerstäubende Oberfläche 102o der Magnetronkathode 102 dargestellt ist. Die Magnetronkathode 102 kann längserstreckt sein, z.B. in die Richtung 101, wobei die Magnetronkathode 102 eine Länge in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 5 m aufweisen kann. Somit kann beispielsweise ein Substrat mittels der Magnetronkathode 102 beschichtet werden, wobei das Substrat eine Breite von weniger als der Länge der Magnetronkathode 102 aufweisen kann und beim Beschichten senkrecht zur Richtung 101 relativ zu der Magnetronkathode 102 bewegt werden kann (z.B. kann ein zu beschichtendes Substrat während eines reaktiven Sputterprozesses mittels einer Magnetronkathode 102 oder mehrerer Magnetronkathoden 102 beschichtet werden, während das Substrat parallel zur Richtung 103 transportiert wird).
Die Magnetronkathode 102 kann eine Magnetanordnung 104 aufweisen (siehe 1B), welche oberhalb der zu zerstäubenden Oberfläche 102o der Rohrkathode 102k mittels eines Magnetfeldes einen Plasmabildungsbereich 106, d.h. einen so genannten Racetrack 106, definiert. Dabei kann die Magnetanordnung 104 derart eingerichtet sein oder werden, dass ein umlaufend geschlossener Plasmabildungsbereich mit zwei geradlinig verlaufenden Bereichen 106g und zwei gekrümmt verlaufenden Bereichen 106k, welche die beiden geradlinig verlaufenden Bereiche 106g miteinander verbinden, bereitgestellt ist. Mittels eines in dem Plasmabildungsbereich 106 erzeugten Plasmas (z.B. mittels eines Niederdruckplasmas) kann die Rohrkathode 102k, welche ein zu zerstäubendes Material (d.h. ein Targetmaterial) aufweist oder daraus besteht, zerstäubt werden. Dazu kann die Rohrkathode 102k zumindest zeitweise (d.h. kontinuierlich im Falle von Gleichspannungs-(DC)-Sputtern oder periodisch im Falle von Wechselspannungs-(AC)-Sputtern, insbesondere Mittelwellen-(MF)-Sputtern) auf ein negatives Potential gelegt werden, so dass die Ionen aus dem Plasma auf der zu zerstäubenden Oberfläche 102o der Rohrkathode 102k einschlagen und somit die Rohrkathode 102k zerstäubt wird.
1B veranschaulicht die in 1A dargestellte Magnetronkathode 102 in einer schematischen Querschnittsansicht 101s (senkrecht zur Richtung 101). Die Magnetronkathode 102 weist beispielsweise eine Magnetanordnung 104 auf, welche derart relativ zu der Rohrkathode 102k angeordnet sein kann oder werden kann, dass über der zu zerstäubenden Oberfläche 102o der Rohrkathode 102k ein Plasmabildungsbereich 106 (ein so genannter Racetrack 106) bereitgestellt ist, wobei der Plasmabildungsbereich 106 zwei längserstreckte Bereiche 106g und zwei die längserstreckten Bereiche ringförmig verbindende Umkehrbereiche 106k aufweist. In den Umkehrbereichen 106k kann der Plasmabildungsbereich 106 anschaulich gekrümmt verlaufen. In den längserstreckten Bereichen 106g kann der Plasmabildungsbereich anschaulich geradlinig verlaufen (siehe 1A).
Zum Erzeugen eines geeigneten Magnetfeldes, welche die Form und die Lage des Plasmabildungsbereichs 106 definiert, kann die Magnetanordnung 104 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 Rohrkathode 102k aufweisen, wobei die innere Magnetreihe 104i eine Magnetisierung mit einer Richtungskomponente in Richtung der Rotationsachse der Rohrkathode 102k aufweisen kann. Die Magnetreihen können sich in Richtung der Rohrachse (d.h. parallel zur Richtung 101) der Rohrkathode 102k erstrecken.
Der magnetische Fluss des die Rohrkathode 102k durchdringenden Magnetfeldes kann aus einer der äußeren Magnetreihen 104a austreten, den Mantel der Rohrkathode 102k durchdringen, und in die innere Magnetreihe 104i eintreten. Ferner kann das die Rohrkathode 102k durchdringende Magnetfeld den Plasmabildungsbereich 106 durchdringen, wobei in dem Plasmabildungsbereich 106 das Bilden eines Plasmas mittels des Magnetfeldes unterstützt werden kann.
Die Magnetanordnung 104 kann eine Rückschlussplatte 104t oder allgemein einen Träger 104t aufweisen, auf welcher/welchem die Magnetreihen 104i, 104a befestigt sein können. Die Rückschlussplatte 104t kann ein ferromagnetisches Material aufweisen. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass die Magneten der Magnetreihen 104i, 104a an der Rückschlussplatte 104t haften. Die einzelnen Magneten können auch mittels Klebens montiert sein oder werden, wobei die Rückschlussplatte das Austreten der Feldlinien nach hinten (in Richtung Rohrachse) verhindert, d.h. die Rückschlussplatte 104t schließt die Magnete auf einer Seite kurz.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetanordnung 104 die Form und/oder die Lage des Racetracks 106 über der zu zerstäubenden Oberfläche 102o (z.B. über der Außenmantelfläche) der Rohrkathode 102k definieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die beiden äußeren Magnetreihen 104a bezüglich einer Spiegelebene 111 spiegelsymmetrisch um die innere Magnetreihe 104e angeordnet sein oder werden. Anschaulich definiert die Magnetanordnung 104 der Magnetronkathode 102 die Lage des Racetracks 106, wobei die Magnetronkathode 102 herkömmlicherweise, insbesondere für einen reaktiven Sputterprozess, derart relativ zu einer Transportebene 110, in welcher ein zu beschichtendes Substrat transportiert wird, ausgerichtet ist, dass die Spiegelebene 111 senkrecht zur Transportebene 110 steht. In dieser Ausrichtung sind die beiden längserstreckten Plasmabildungsbereiche 106g gleich weit von der Transportebene 110 entfernt. Dies dient herkömmlicherweise dazu, eine homogene Beschichtung des in der Transportebene 110 transportierten Substrats zu gewährleisten. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Ausrichtung der Magnetronkathode 102 (z.B. relativ zu der Transportebene 110) als verkippt bezeichnet werden, wenn die beiden längserstreckten Plasmabildungsbereiche 106g nicht den gleichen Abstand von der Transportebene 110 aufweisen bzw. wenn die Spiegelebene 111 der Magnetanordnung nicht senkrecht zur Transportebene 110 ausgerichtet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetronkathode ausgehend von der in 1B dargestellten Ausrichtung um die Rohrachse um einen Verkippungswinkel verkippt bzw. um einen Drehwinkel gedreht angeordnet sein oder werden (siehe 2).
1C veranschaulicht eine Magnetronanordnung 100 mit mindestens einer Magnetronkathode 102. Beispielsweise kann eine Magnetronanordnung 100 (auch kurz als Magnetron 100 bezeichnet) nur eine Magnetronkathode 102 aufweisen oder, alternativ, zwei im Wesentlichen parallel nebeneinander angeordnete Magnetronkathoden 102 (siehe z.B. 3).
Die jeweilige mindestens eine Magnetronkathode 102 kann mittels einer Lageranordnung 112e drehbar gelagert sein oder werden, wobei die Lageranordnung 112e beispielsweise derart eingerichtet sein kann, dass die mindestens eine Magnetronkathode 102 in einer Prozesskammer gehalten werden kann zum Beschichten eines Substrats innerhalb der Prozesskammer mittels der mindestens einen Magnetronkathode 102.
Die Lageranordnung 112e kann beispielsweise mindesten einen Endblock 112e aufweisen. Beispielsweise kann jeweils eine Magnetronkathode 102 mittels zweier Endblöcke 112e an deren axialen Endabschnitten drehbar gelagert sein oder werden, wie in 1C beispielhaft veranschaulicht ist. Ferner können die Endblöcke 112e dazu verwendet werden, die jeweilige drehbar gelagerte Magnetronkathode 102 mit den benötigten Medien (z.B. elektrischer Energie, Kühlwasser, Antrieb zum Rotieren der rohrförmigen Magnetronkathode 102, etc.) zu versorgen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein so genannter Medien-Endblock zum Versorgen einer Magnetronkathode 102 und ein Antriebs-Endblock zum Rotieren der Magnetronkathode 102 verwendet werden, wobei je eine Magnetronkathode 102 mittels des Medien-Endblocks und des Antriebs-Endblocks an deren axialen Endabschnitten drehbar gelagert sein kann oder werden kann, wie in 1C veranschaulicht ist. Alternativ kann auch nur einer von zwei zum Lagern der Magnetronkathode 102 verwendeten Endblöcken 112e zum Versorgen und Antreiben der Magnetronkathode 102 eingerichtet sein oder werden.
Alternativ kann eine Magnetronkathode 102 mittels nur eines Endblocks (z.B. an nur einem der beiden axialen Endabschnitte der Magnetronkathode 102) gelagert (sowie versorgt) sein oder werden (nicht dargestellt).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Lageranordnung bzw. die Magnetronanordnung 100 ein Wandelement 114 aufweisen, z.B. ein Deckelelement 114 oder eine Kammerwand 114. Das Wandelement 114 kann im Wesentlichen flächig ausgestaltet sein und eine Normalen-Richtung 105 senkrecht zu dem Wandelement definieren. Anschaulich kann sich das Wandelement 114 in einer Ebene senkrecht zur Richtung 105 erstrecken. Herkömmlicherweise (auch als Referenzlage bezeichnet), in der bezüglich 1B beschriebenen Ausrichtung der Magnetronkathode 102, kann die Spiegelebene 111 der Magnetanordnung 104 parallel zur Normalen-Richtung 105 ausgerichtet sein oder werden bzw. kann die Transportebene 110 parallel zum Wandelement 114 eingerichtet sein.
Wie beispielsweise in 1D veranschaulicht ist, kann die Magnetronanordnung 100 eine Gaszuführungsanordnung 128 aufweisen zum Versorgen des Plasmabildungsbereichs 106 mit einem Prozessgas 130 (z.B. einem Arbeitsgas und/oder einem Reaktivgas) mit einer vordefinierten Zusammensetzung und/oder einer vordefinierten räumlichen Verteilung. Anschaulich kann die Magnetronkathode 102 mittels der Gaszuführungsanordnung 128 mit den zum Betreiben der Magnetronkathode 102 notwendigen Prozessgasen 130 versorgt werden, wobei die Gaszuführung mittels der Gaszuführungsanordnung 128 derart erfolgt, dass den Umkehrbereichen 106k des Racetracks 106 ein entsprechendes Prozessgas (Arbeitsgas und/oder Reaktivgas) geregelt zugeführt wird und/oder dass den längserstreckten Bereichen 106g des Racetracks 106 ein entsprechendes Prozessgas (Arbeitsgas und/oder Reaktivgas) geregelt zugeführt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Gaszuführungsanordnung 128 seitlich (z.B. einseitig oder beidseitig) neben dem Racetrack 106 bzw. neben der Magnetronkathode 102 bereitgestellt sein oder werden. Ferner kann die Gaszuführungsanordnung 128 als Gaskanal (beispielsweise als segmentierter Gaskanal) mit mehreren Gaseinlässen 128a parallel zur Längserstreckung des Racetracks 106 (bzw. der Magnetronkathode 102) ausgestaltet sein. Ferner kann die Gaszuführungsanordnung weitere Gaskanäle aufweisen, z.B. einen zwischen der Magnetronkathode 102 und dem Wandelement 114 angeordneten weiteren Gaskanal. Ferner kann die Magnetronanordnung 100 auch nur einen Gaskanal aufweisen, welcher zwischen der Magnetronkathode 102 und dem Wandelement 114 angeordnet sein kann oder werden kann, wobei in diesem Fall das Prozessgas 130 im Wesentlichen diffus in den Plasmabildungsbereich 106 gelangt (siehe z.B. 6).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung, wie hierin beschrieben ist, zum reaktiven Sputtern verwendet werden und entsprechend eingerichtet sein, z.B. aufweisend mindestens einen Gaskanal und eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung zum Einbringen eines Reaktivgases in den Plasmabildungsbereich 106 oder zum Zuführen eines Reaktivgases in die Nähe des Plasmabildungsbereichs 106, wobei diese dann als Reaktiv-Sputteranordnung bezeichnet werden kann.
Analog zum vorangehend Beschriebenen ist in 2 eine Magnetronanordnung 200 bzw. eine Reaktiv-Sputteranordnung 200 veranschaulicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Dabei kann die Reaktiv-Sputteranordnung 200 Folgendes aufweisen: mindestens eine Rohrkathode 102k, welche mittels einer Lageranordnung (wie beispielsweise in 1C dargestellt ist) drehbar gelagert ist; eine Antriebsvorrichtung zum Rotieren der mindestens einen Rohrkathode 102k um eine Rotationsachse 201; eine Magnetanordnung 104, die in der mindestens einen Rohrkathode 102k in einer Verkippungsrichtung 201k um die Rotationsachse 201 verkippt angeordnet ist; wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode 102k in einer Rotationsrichtung 201r zu rotieren, die der Verkippungsrichtung 201k entgegengesetzt ist. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn mittels der Gaszuführung kein ausreichender Gasdruckgradient bereitgestellt werden kann.
Wie vorangehend beschrieben ist, kann die Verkippung der Magnetanordnung 104 bzw. der Magnetronkathode 102 relativ zu einer Transportebene 110 definiert sein oder werden. Alternativ kann die Magnetronanordnung 200 zwei Magnetronkathoden 102 aufweisen, wobei die beiden Magnetronkathoden 102 derart nebeneinander angeordnet bzw. gelagert sind, dass deren beiden Rotationsachsen 201 in einer gemeinsamen Lagerebene liegen (siehe Lagerebene 310 in 3), wobei dann die Verkippung der Magnetanordnung 104 bzw. der Magnetronkathode 102 in analog Weise relativ zu der Lagerebene definiert sein kann oder werden kann. In einigen Konfigurationen, in denen die Magnetronanordnung 200 zum Beschichten eines in der Transportebene 110 transportierten Substrats verwendet wird, kann die Magnetronanordnung 200 derart bereitgestellt sein oder werden, dass die Lagerebene parallel zur Transportebene 110 ausgerichtet ist (vgl. beispielsweise 3). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetanordnung 104 bzw. die Magnetronkathode 102 als verkippt verstanden werden, wenn die Spiegelebene 111 der Magnetanordnung 104 nicht senkrecht zur Transportebene 110 bzw. zur Lagerebene ausgerichtet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die zwei nebeneinander angeordneten Rohrkathoden 102k oder Magnetronkathoden 102 der Magnetronanordnung 200 zueinander entgegengesetzt verkippt sein oder werden (siehe beispielsweise 4A und 4B). Dabei kann die jeweilige Antriebsvorrichtung derart eingerichtet sein oder werden, dass die beiden nebeneinander angeordneten Rohrkathoden 102k der Magnetronanordnung 200 in entsprechend entgegengesetzte Rotationsrichtungen rotieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein erster längserstreckter Abschnitt 206l des Racetracks 106 einen ersten Abstand 211 von der Transportebene 110 (bzw. analog von der Lagerebene) aufweisen und ein zweiter längserstreckter Abschnitt 206r des Racetracks 106 kann einen zweiten Abstand 213 von der Transportebene 110 (bzw. analog von der Lagerebene) aufwiesen, wobei der erste Abstand 211 verschieden von dem zweiten Abstand 213 ist. Dabei ergibt sich die Abstandsdifferenz aus der Geometrie unter Berücksichtigung des Verkippungswinkels 215, um die die Magnetronkathode 102 bzw. die Magnetanordnung 104 gekippt ist.
Bei einer verkippt angeordneten Magnetanordnung 104 eines Magnetrons können die beiden äußeren Magnetreihen 104a der Magnetanordnung 104 nicht den gleichen Abstand von der Transportebene 110 (bzw. analog von der Lagerebene) aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Verkippungswinkel 215 als Winkel zwischen der Spiegelebene 111 und der Normalen der Transportebene 110 (bzw. analog zwischen der Spiegelebene 111 und der Normalen der Lagerebene) verstanden werden.
Wie in 3 in einer schematischen Querschnittsansicht veranschaulicht ist, kann eine Prozessieranordnung 300 beispielsweise Folgendes aufweisen: eine Prozesskammer 302 (z.B. eine Vakuumprozessierkammer bzw. eine Sputter-Prozesskammer), eine Transportvorrichtung (auch als Transportsystem bezeichnet) zum Transportieren eines Substrats 320 in einer Transportebene 110 in der Prozesskammer 302; mindestens eine Magnetronkathode 102 (oder eine Magnetronanordnung 200 mit mindestens einer Magnetronkathode 102) zum Beschichten eines in der Transportebene 110 transportierten Substrats 320.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung 300 beispielsweise Folgendes aufweisen: eine Prozesskammer 302, welche einen Beschichtungsbereich 301b aufweist; ein Transportsystem zum Transportieren eines Substrats 320 innerhalb des Beschichtungsbereichs 301b; eine Reaktiv-Sputteranordnung 200, wie hierin beschrieben ist, zum Beschichten des Substrats 320 innerhalb des Beschichtungsbereichs 301b. Dabei kann die Reaktiv-Sputteranordnung 200 zwei Magnetronkathoden 102 aufweisen, welche in einer Lagerebene 310 drehbar gelagert angeordnet sind.
Ferner kann die Prozessieranordnung 300, analog zum vorangehend Beschriebenen, eine Gaszuführungsanordnung 128 mit mindestens einem Gaseinlass aufweisen zum Bereitstellen eines Prozessgases (wobei das Prozessgas mindestens ein Reaktivgas aufweist) in einem Reaktionsbereich 301r zwischen den beiden Magnetronkathoden 102 und der Transportebene 110.
Ferner kann die Prozesskammer 302 einen Eingang (eine erste Schleuse) und einen Ausgang (eine zweite Schleuse) derart aufweisen (nicht dargestellt), dass das Substrat 320 in die Prozesskammer 302 hinein und aus der Prozesskammer 302 heraus transportiert werden kann oder dass das Substrat 320 entlang einer Transportrichtung 301t durch die Prozesskammer 302 hindurch transportiert werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vakuumpumpenanordnung (nicht dargestellt) mit der Prozesskammer 302 derart gekoppelt sein oder werden, dass die Prozesskammer 302 mittels der Vakuumpumpenanordnung evakuiert werden kann. Somit kann beispielsweise in der Prozesskammer 302 ein Prozessdruck von weniger als 0,1 mbar oder weniger als 0,01 mbar bereitgestellt sein oder werden, so dass die Magnetronanordnung 200 betrieben werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der Prozessieranordnung 300 ein geregelter reaktiver Sputterprozess durchgeführt werden, wobei die Prozessieranordnung 300 dazu mindestens eine Regelung aufweisen kann. Die Prozessieranordnung 300 kann eine Sputter-Prozesskammer 302 mit mindestens einer Magnetronkathode 102 aufweisen, wobei die Sputter-Prozesskammer 302 und die Magnetronkathode 102 derart eingerichtet sein können, dass innerhalb der Sputter-Prozesskammer 302 ein Plasma bereitgestellt werden kann, z.B. zum Beschichten eines Substrats 320 innerhalb der Sputter-Prozesskammer 302.
Dabei kann die Magnetronkathode 102 mit einem Generator und einer Anode (welche beispielsweise ein positives elektrisches Potential bezüglich der Magnetronkathode 102 aufweist) gekoppelt sein (z.B. elektrisch leitfähig verbunden sein). Mittels des Generators kann an der Magnetronkathode 102 bzw. zwischen der Magnetronkathode 102 und der Anode ein elektrisches Feld zum Erzeugen des Plasmas bereitgestellt sein oder werden, z.B. gemäß einer Spannung U als eine Generatorgröße. Ferner kann die Prozessieranordnung 300 mindestens eine Magnetanordnung 104 zum Magnetron-Sputtern aufweisen, wie vorangehend beschrieben ist. Beim Gleichspannungs-Sputtern oder beim gepulsten Gleichspannungs-Sputtern kann prinzipiell auch gegen Masse, z.B. in Form der Kammerwand, gesputtert werden. Mit anderen Worten kann auch die Kammerwand als Anode fungieren.
Alternativ können beide Magnetronkathoden 102 mit einem Generator derart gekoppelt sein oder werden, dass eine MF-Spannung zum abwechselnden Sputtern von den beiden Magnetronkathoden 102 angelegt werden kann. In diesem Fall dienen die beiden Magnetronkathoden 102 abwechselnd (entsprechend der angelegten MF-Spannung) jeweils als Anode und Kathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung 300 als eine Sputterbeschichtungsanlage ausgestaltet sein, wobei die Sputterbeschichtungsanlage genau eine Vakuumkammer oder mehrere Vakuumkammern aufweisen kann, wobei mindestens eine der Vakuumkammern eine Sputter-Prozesskammer 302 sein kann. Beispielsweise kann die Prozessieranordnung 300 als eine so genannte Batch-Beschichtungsanlage ausgestaltet sein, in welcher Substrate nacheinander schubweise beschichtet werden können. Ferner kann die Prozessieranordnung 300 als eine so genannte In-Line-Beschichtungsanlage ausgestaltet 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 (auch als Kompartments bezeichnet) hindurch geführt werden kann. Dabei kann das Substrat mittels mindestens einer Schleusenkammer in die Prozessieranordnung 300 eingebracht und/oder aus der Prozessieranordnung 300 heraus gebracht werden. Ferner kann die Prozessieranordnung 300 als eine so genannte Luft-zu-Luft (Air-to-Air) Beschichtungsanlage eingerichtet sein oder als eine Bandbeschichtungsanlage, wobei das Substrat 320 beispielsweise von Rolle-zu-Rolle durch die mindestens eine Sputter-Prozesskammer 302 hindurch transportiert werden kann.
Eine Prozessieranordnung 300 zum Durchführen eines Kathodenzerstäubungsprozesses kann beispielsweise mindestens eine Sputter-Prozesskammer 302 und mindestens ein Magnetron 200 mit mindestens einer Magnetronkathode 102 aufweisen, wobei während des Kathodenzerstäubungsprozesses Material (Targetmaterial) von der Magnetronkathode 102 zerstäubt wird und wobei sich das zerstäubte Material in eine Richtung von dem Magnetron 102 weg ausbreitet. Der Bereich an der Magnetronkathode 102, in dem sich das zerstäubte Material ausbreitet, kann als Prozessierbereich oder Prozessierraum bezeichnet werden, wobei sich das zerstäubte Material von dem Reaktionsbereich 301r zu dem Beschichtungsbereich 301b ausbreitet. Dabei kann das in den längserstreckten Bereichen des Racetracks 106 zerstäubte Material in dem Reaktionsbereich 301r oder auf dem Weg zum zu beschichtenden Substrat mit dem eingeleiteten Reaktivgas chemisch reagieren.
Während eines Kathodenzerstäubungsprozesses kann in dem Reaktionsbereich 301r ein Plasma bereitgestellt sein oder werden, z.B. indem mittels der Magnetronkathode 102 ein elektrisches Feld bereitgestellt wird, wobei sich das bereitgestellte elektrische Feld zumindest teilweise in den Prozessierbereich hinein erstreckt. Mittels des Plasmas kann die Magnetronkathode 102 zerstäubt werden (z.B. aufgrund des Ionenbeschusses der Magnetronkathode 102 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 302 bereitgestellt werden. Ferner kann zum reaktiven Sputtern mindestens ein Reaktivgas in der Sputter-Prozesskammer 302 bereitgestellt werden. Die zum Sputtern verwendeten Prozessgase (ein Arbeitsgas und ein Reaktivgas, mehrere Arbeitsgase und ein Reaktivgas, mehrere Arbeitsgase und mehrere Reaktivgase) können jeweils mittels einer Gaszuführung 128 oder mittels mehrerer Gaszuführungen 128 in die Sputter-Prozesskammer 302 eingebracht werden, wobei das Einbringen geregelt erfolgen kann.
Mittels Anpassens des Magnetsystems kann eine vordefinierte Form und/oder Größe des Racetracks 106 und somit des erzeugten Plasmas eingestellt werden, und/oder die Geometrie des in dem Racetrack 106 erzeugten Plasmas beeinflusst werden. Beispielsweise können die Magnete der Magnetanordnung derart relativ zueinander angeordnet sein oder werden, dass ein länglicher (sich längs erstreckender) Racetrack 106 entsteht. Ein derartiger sich längs erstreckender Racetrack 106 kann beispielsweise eine Länge in einem Bereich von ungefähr mehreren Dezimetern bis ungefähr mehreren Metern aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m.
Im Allgemeinen kann die Prozessieranordnung 300 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-Magnetron-Sputtern), 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 und/oder das Reaktivgas) derart dem Prozessierbereich zwischen dem Magnetron 200 und dem Beschichtungsbereich 301b 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 im Prozessierbereich (z.B. im Reaktionsbereich 301r) zu kontrollieren und an die entsprechenden Bedingungen anzupassen, so dass eine auf dem Substrat 320 abgeschiedene Schicht ein möglichst gleichmäßiges Schichteigenschaftsprofil aufweist.
Beispielsweise können entlang des längserstreckten Bereichs 106g des Racetracks 106 eine oder mehrere Gaszuführungen 128 (oder Gasführungen, z.B. Gasleitbleche, etc.) 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 einzelnen Gase (d.h. der Bestandteile) des Prozessgases durch die Gaszuführungen 128 hindurch getrennt voneinander erfolgen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Plasmaeigenschaften (z.B. die chemische Zusammensetzung des Plasmas, die Plasmadichte, oder Ähnliches) im gesamten Reaktionsbereich 301r oder jeweils in verschiedenen Bereichen des Reaktionsbereichs 301r 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) verwendet werden. Der optische Sensor oder die mehreren optischen Sensoren können beispielsweise relativ zu dem Reaktionsbereich 301r derart angeordnet und/oder ausgerichtet sein oder werden, dass basierend auf einer Emission des Plasmas beispielsweise Plasmaeigenschaften in einem Bereich des Plasmas oder in verschiedenen Bereichen des Plasmas ermittelt werden können und somit bei der Steuerung oder Regelung der Gaszuführungen berücksichtigt werden können. 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 302 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.
Aufgrund einer chemischen Reaktion des Reaktivgases mit dem Targetmaterial der Magnetronkathode 102 kann der Sputterprozess in dem so genannten oxidischen Modus und in dem so genannten metallischen Modus betrieben werden. Das Belegen der Magnetronkathode 102 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 Beschichtungsrate (als Abscheiderate bezeichnet) erfordern, dass der Sputterprozess im Übergangsbereich zwischen dem metallischen Modus und dem oxidischen Modus betrieben wird (oder in einem Übergangsbereich zwischen dem metallischen Modus und dem isolierenden (z.B. nitridischen, oxinitridischen) Modus), so dass dieser a priori instabile Betriebszustand (im Übergangsbereich) 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 können die Gaskanäle 128 beidseitig der mindestens einen Magnetronkathode 102 angeordnet sein (siehe 4A und 4B). Dabei können die Gaskanäle segmentiert sein, und die mehreren segmentierten Gaskanäle 128 können im Wesentlichen parallel neben der jeweiligen Magnetronkathode 102 angeordnet sein. Somit kann beispielsweise die jeweilige Magnetronkathode 102 optimal mit Prozessgas versorgt werden, bzw. die Verteilung des Prozessgases in der Sputter-Prozesskammer 302 kann optimal eingestellt werden.
Die segmentierten Gaskanäle 128 können im Wesentlichen parallel (mit einer maximalen Abweichung von ±10° oder ±5° von einer parallelen Ausrichtung) zur Längserstreckung der jeweiligen Magnetronkathode 102 angeordnet sein. Dabei können die Magnetronkathode 102 sowie die Gaskanäle 128 eine Länge in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 5 m aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Fluss (eine strömende Gasmenge (Teilchenzahl bzw. Gasmasse) pro Zeiteinheit) des Reaktivgases 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 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, wie hierin beschrieben ist. Dabei können auch mehrere Reaktivgaskanäle beidseits des einen oder jeweils beidseits der mehreren Rohrkathoden angeordnet sein, um den mit unterschiedlicher Stöchiometrie brennenden längserstreckten Racetrack-Bereichen 106g Rechnung zu tragen und diese Stöchiometrieunterschiede auszugleichen. Als Arbeitsgas kann beispielsweise Argon verwendet werden, oder auch (beispielsweise zusätzlich) ein anderes Inertgas wie Krypton oder Helium oder eine Mischung aus Inertgasen. Die Kontrolle des Einstellens der Reaktivgasflüsse kann örtlich aufgelöst erfolgen unter Verwendung optischer Emissionsspektroskopie (OES). Aus verschiedenen (Emissions-)Linien des Plasmas des schichtbildenden Materials sowie des Prozessgases (z.B. können Linien von Elementen aller Gase berücksichtigt oder verwendet werden) können beispielsweise Regelkennzahlen abgeleitet werden, die zum Stellen der Reaktivgas- und Arbeitsgasflüsse verwendet werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels einer weiteren Gaszuführung zusätzliches Arbeitsgas bereitgestellt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Prozessieranordnung mit einer entsprechend eingerichteten Magnetronanordnung 200 beschrieben, wobei die Magnetronanordnung 200 zwei Rohrkathoden aufweist und eingerichtet ist, einen reaktiven Sputterprozess zu ermöglichen. Dabei sind die jeweiligen Magnetbars gekippt, wie in 4A und 4B in einer schematischen Ansicht veranschaulicht ist und wie vorangehend beschrieben ist.
Herkömmlicherweise werden die Rohrkathoden 102k eines Doppel-Rohrmagnetrons (RDM) in dieselbe Richtung rotiert. Das kann bei einem reaktiven Sputterprozess allerdings dazu führen, dass der in Drehrichtung erste und zweite Abschnitt 206l, 206r des Racetracks 106 eines Rohres (anschaulich die beiden Racetrack-Hälften 206l, 206r) ohne weitere Maßnahmen mit unterschiedlicher Stöchiometrie brennen. Im Fall des reaktiven Sputterns von Al (oder auch von Si und/oder von Zn) konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die beiden Racetrack-Hälften 206l, 206r einer Magnetronkathode 102 unterschiedlich zur Abscheiderate beitragen. Im Rahmen eines Projektes wurden Versuche zum Einfluss der Rohrdrehrichtung auf die Abscheiderate durchgeführt. Dabei wurde erkannt, dass die Rohrdrehrichtung die Abscheiderate beeinflussen kann, insbesondere bei einer Konfiguration, bei der die Magnetbars (auch als Magnetanordnungen bezeichnet) in einem Bereich von ungefähr 10° bis ungefähr 30°, z.B. um 20°, nach außen (d.h. voneinander weg) geneigt bzw. verkippt waren, wie beispielsweise in 4B veranschaulicht ist.
Bei nach außen gekippten Magnetbars, emittiert eine Racetrack-Hälfte, d.h. jeweils die innenliegende Racetrack-Hälfte, der beiden Racetracks die Sputterteilchen dann fast senkrecht zum Substrat mit geringstem Streudampfverlust, die andere sputtert etwas mehr in Richtung Shield oder seitlicher Kammerwand (d.h. nach außen), was zu Streudampfverlust führt.
Bei nach innen (d.h. aufeinander zu) geneigten bzw. verkippten Magnetbars werden die Partikel von den inneren Racetrack-Hälften mehr gestreut werden, z.B. aufgrund des weiteren Wegs zum Substrat, wie beispielsweise in 4A veranschaulicht ist. Der Einfluss der verwendeten Rohrdrehrichtungen auf die Sputterrate bei gleichem Arbeitspunkt ist in 5A und 5B veranschaulicht. Die Prozessieranordnung war wie in 4B beispielhaft dargestellt eingerichtet.
Bei gleichsinnig drehenden 500b, 500c Rohrkathoden konnte ermittelt werden, dass für beide Dreh-Richtungen im Wesentlichen die gleiche Sputterrate erreicht wird. Werden die Rohrkathoden derart gegensinnig 500d gedreht, dass die in Drehrichtung zweiten Racetrack-Hälften außen liegen, sinkt die Abscheiderate. Werden die Rohrkathoden derart gegensinnig 500a gedreht, dass die in Drehrichtung ersten Racetrack-Hälften außen liegen, steigt die Abscheiderate deutlich.
Beispielsweise wurde erkannt, dass die jeweils in Drehrichtung zweiten Racetrack-Hälften beider Rohre mehr zur Abscheiderate beitragen, was herkömmlicherweise nicht auffällt, wenn der Streudampf von allen vier Racetrack-Hälften in nicht verkippter Ausrichtung bei der Substratdurchfahrt vollständig aufgesammelt wird. Durch das Drehen der Magnetbars unterscheiden sich aber die Wege vom Racetrack zur Substratebene (siehe 2), was zu unterschiedlichen Streudampfverlusten führt (bei Shieldnähe auch speziell dort). Bei gleichsinnig drehenden Rohrkathoden kann die Drehrichtung unwesentlich sein, da immer jeweils ein stärker und ein schwächer emittierender Racetrack in Richtung des Substrats geneigt ist. Bei gegensinnig drehenden Rohren, wie beispielsweise bezüglich 4A und 4B beschrieben ist, führt dagegen die Drehrichtung-Kombination zu der größten Abscheiderate, bei der die jeweils in Drehrichtung zweiten Racetrack-Hälften in Richtung des Substrats gerichtet sind, d.h. für die Drehrichtungskombination 500a. Die optimale Drehrichtungskombination führt, in einem Beispiel, zu einem Unterschied in der Abscheiderate von ungefähr 10%.
Der Einsatz eines gekippten Magnetfelds kann herkömmlicherweise aus verschiedenen Gründen erfolgen, meist wird nach innen gekippt, um das Plasma in die Kammermitte zu fokussieren (was beispielsweise zu einer Brennspannungserniedrigung führt) bzw. um weniger in Richtung seitlicher Shields (auch als Sputterblenden bezeichnet) zu sputtern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden eine Magnetronanordnung 200 und eine Prozessieranordnung 300 bereitgestellt, welche für reaktives Sputtern mit zwei benachbarten Magnetronkathoden 102 die maximale Sputterrate ermöglicht, indem der Drehsinn der jeweiligen Rohrkathode 102k und die Verkippung der jeweiligen Magnetanordnung 104 berücksichtigt ist.
Wenn beispielsweise die Magnetbars 104 und damit auch die Racetracks 106 nach innen gedreht bzw. verkippt sind (wie in 4A veranschaulicht ist), um beispielsweise das Plasma in Richtung Kammermitte zu fokussieren, wird die Rohrrotation derart eingestellt, dass die jeweils äußeren Racetrack-Hälften die jeweils zweiten in Rotationsrichtung sind. Damit sind die dann äußeren Racetrack-Hälften mit dem höheren Beitrag zur Abscheiderate mehr in Richtung Substrat 320 ausgerichtet, während die weiter weggedrehten (mit niedrigerem Beitrag zur Abscheiderate) den höheren Streudampfverlust haben.
Wenn beispielsweise die Magnetbars nach außen gedreht bzw. verkippt sind (wie in 4B veranschaulicht ist), wird die Rohrrotation derart eingestellt, dass die jeweils inneren Racetrack-Hälften die jeweils zweiten in Rotationsrichtung sind. Damit sind die dann inneren Racetrack-Hälften mit dem höheren Beitrag zur Abscheiderate mehr in Richtung Substrat 320 ausgerichtet.
Anschaulich wurde erkannt, dass bei einem reaktiven Sputterprozess mittels eines verkippten Magnetbars 104 (vgl. beispielsweise 2) die Drehrichtung 201r der Rohrkathode 102k derart zu wählen ist, dass die Racetrack-Hälfte, die am nächsten am zu beschichtenden Substrat 320 ist, die zweite in Drehrichtung der Rohrkathode ist, um eine maximale Abscheiderate zu erreichen, wie in 4A und 4B veranschaulicht ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Reaktivgas homogen verteilt ist, also keinen wesentlichen Gradienten aufweist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Vorrichtung bereitgestellt, mittels derer Materialien, wie beispielsweise Al, Si, Zn, im Übergangsbereich reaktiv gesputtert werden können, wobei eine hohe Abscheiderate, z.B. mehr als 70 nm·m/min erreicht wird.
Beim Sputtern von Metalloxiden, Metallnitriden und/oder Metalloxinitriden wird oft das reaktive Sputtern vom metallischen Rohr angestrebt, da im Übergangsbereich (d.h. nicht im oxidischen Abscheidemodus) die höchste Abscheiderate erzielt werden kann. Der reaktive Sputterprozess ist hoch komplex. Wenn bipolares Sputtern (z.B. MF-Sputtern oder bipolar gepulstes Sputtern) zur Abscheidung isolierender Schichten genutzt wird, wird die Komplexität noch erhöht, da zwei Rohrtargets gesputtert werden, z.B. um das Problem der verschwindenden Anode zu vermeiden. Dabei bringt jede Magnetronkathode ihre eigene Charakteristik mit, da Magnetbar und Material nie komplett identisch sind.
Ohne weitere Maßnahmen brennen die Racetrack-Hälften der jeweiligen Magnetronkathode 102 beim reaktiven Sputtern mit unterschiedlicher Stöchiometrie, was zur Abscheidung einer Mischschicht führen kann. Dabei kommen unterschiedliche Beiträge zur Abscheiderate von den einzelnen Racetrack-Hälften. Weiterführende Versuche wurden dazu durchgeführt, wobei die verschiedenen Racetracks eines RDMs (Rotatable Dual Magnetron, mit einer Länge von 1700 mm) einzeln mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) spektroskopiert wurden. Dazu wurden vier Spektrometer gleichzeitig betrieben, und durch einen Viewport eines industriellen Beschichtungstools wurden die vier Racetrack-Hälften des RDM anvisiert (in etwa zwischen Mitte und Medienseite).
In 6 ist eine Magnetronanordnung 600 mit zwei nebeneinander angeordneten Magnetronkathoden 102 veranschaulicht. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetronanordnung 600 eine Gaskanalanordnung 608 aufweisen, wobei diese mittig hinter den Magnetronkathoden 102 angeordnet sein kann oder werden kann. Die zwei Magnetronkathoden 102 bzw. die beiden Rohrkathoden der Magnetronanordnung 600 werden mittels der Gaskanalanordnung 608 diffus mit Prozessgas 630 versorgt. Beispielsweise kann das Prozessgas 630, oder zumindest ein Reaktivgas 630, mittels eines Gaskanals 608 seitlich eingeleitet werden. In Transportrichtung 301t gesehen kann die linke Magnetronkathode 102 einen Racetrack 106 mit den zwei Racetrack-Hälften L_a, L_b aufweisen. Ferner kann, in Transportrichtung 301t gesehen, die rechte Magnetronkathode 102 einen Racetrack 106 mit den zwei Racetrack-Hälften R_a, R_b aufweisen. In diesem Fall können die Magnetronkathoden 102 der Magnetronanordnung 600 nicht verkippt angeordnet sein, d.h. alle Racetrack-Hälften L_a, L_b, R_a, R_b können den gleichen Abstand zu einer Transportebene aufweisen, in welcher ein zu beschichtendes Substrat transportiert und beschichtet werden kann (siehe 1B).
Bei der in 6 dargestellten Magnetronanordnung 600 mit dem entsprechend eingerichteten Gaseinlass 608 kann von einer gleichmäßigen Reaktivgasverteilung im Prozessraum ausgegangen werden, da in diesem Fall keine zusätzlichen Gasführungshilfsmittel verwendet werden.
Es wurden Experimente an einer derartigen Magnetronanordnung 600, z.B. an einem Satz von Aluminiumrohren als Rohrkathoden, durchgeführt. Dabei wurden während einer Sauerstoffhysterese OES-Spektren der Racetrack-Hälften L_a, L_b, R_a, R_b aufgenommen Die geregelte Sauerstoffhysterese erfolgt beispielsweise derart, dass der Spannungs-Setpoint von großen zu kleinen Spannungen U und wieder zurück geregelt wird. Für den Fall, dass die Spektrometer nicht absolut kalibriert sind und/oder vermutlich auch nicht genau die jeweils selbe Racetrackfläche anvisiert werden kann, können für die Auswertung der Messungen jeweils Verhältnisse (L_a/L_b und R_a/R_b) der gemessenen Intensitäten betrachtet werden, wie in den Messdiagrammen der 7 bis 9 dargestellt ist. In diesem Fall wird für jede der beiden Magnetronkathoden 102 das Verhältnis der Aluminiumemission MW(AL396) bei einer Wellenlänge von 396 nm aus dem Racetrack 106 der linken Magnetronkathode 102 und dem Racetrack 106 der rechten Magnetronkathode 102 ermittelt.
Die in 7 veranschaulichte Messung 700 fand mit gleichsinnig drehenden Rohrkathoden 102k statt. Hierbei wird für hohe Spannungen (d.h. im metallischen Modus, ohne Reaktivgas) ein bestimmtes Verhältnis beobachtet. Man kann beim rein metallischen Sputtern, z.B. bei einer Spannung von ungefähr 700 V, von einer gleichen Racetrack-Stöchiometrie ausgehen. Wird die Spannung erniedrigt und Reaktivgas zugegeben, beobachtet man für beide Magnetronkathoden 102 einen Anstieg des Verhältnisses der Emissionen aus den jeweiligen Racetrack-Hälften a, b bis zu einer gewissen Spannung (im Flowmode kommt es hier zum Kippen in den oxidischen Modus) und dann wieder ein Abnehmen (die Absolutwerte der Al-Emission sinken mit größer werdender Zugabe von Sauerstoff). Im volloxidischen Modus, z.B. bei einer Spannung von ungefähr 300 V, kann wieder von gleicher Racetrack-Stöchiometrie ausgegangen werden, da das ganze Rohr vollständig mit Oxid belegt ist, was durch den Verlauf der Verhältnisse 700L (L_b/L_a), 700R (R_b/R_a) gezeigt wird. Für die gewählte Rohrdrehrichtung bedeutet das, dass die jeweilige Racetrack-Hälfte L_b, R_b (jeweils die zweite Racetrack-Hälfte in Drehrichtung) gegenüber der entsprechenden Racetrack-Hälfte L_a, R_a mit sinkender Spannung zunächst metallischer wird. Ferner trägt der jeweils auslaufende Racetrack (in diesem Fall L_b, R_b) im Übergangsbereich mehr zur Rate bei, was hier spektroskopisch bestätigt ist.
Der für die Schichtabscheidung interessante Bereich für die Spannung liegt beispielsweise bei ungefähr 400 V, also in einem Bereich, in dem beide Racetrack-Hälften des jeweiligen Racetracks 106 deutlich unterschiedlich brennen.
In analoger Weise sind die Messungen für verschiedene Drehrichtung-Kombinationen in 8 und 9 veranschaulicht, wobei die jeweiligen Verhältnisse 800L, 900L (L_a/L_b) und 800R, 900R (R_a/R_b) der gemessenen Intensitäten in jeweils einem Messdiagramm 800, 900 dargestellt sind.
Wird die eine der Drehrichtungen der Rohrkathoden umgekehrt, siehe die umgekehrte Drehrichtung für die linke Rohrkathode in 8 und für die rechte Rohrkathode in 9, ändert sich das Emissionsverhältnis 800L, 800R und 900L, 900R entsprechend, da nun jeweils einer der Racetracks L_a, R_a der zweite in Drehrichtung ist. Die jeweils nicht veränderte Magnetronkathode 102 zeigt keine deutliche Veränderung der Charakteristik, in diesem Fall sind die beiden Rohrkathoden eines RDM als voneinander unabhängig zu betrachten. Die Spektroskopie der verschiedenen Kombinationen der Rohrdrehrichtungen bestätigen für jeden Fall, dass im Hochratebereich die jeweils auslaufende Racetrack-Hälfte metallischer brennt als die einlaufende. Für die Schichtabscheidung bedeutet das beispielsweise, dass immer Mischschichten abgeschieden werden, also die Schichteigenschaften ein Kompromiss sind. Für transparente Schichten speziell bedeutet das, dass die jeweils auslaufende Racetrack-Hälfte oxidisch genug brennen muss, um keine Absorption zu bekommen (d.h. um eine transparente Schicht abzuscheiden), wodurch die Rate des einlaufenden Racetracks sinkt, da dieser noch oxidischer brennt.
In 10A und 10B ist eine Magnetronanordnung 1000 (oder allgemein ein Teil einer Prozessieranordnung 1000) in einer schematischen Ansicht veranschaulicht, welche beispielsweise mittels konstruktiv einfacher Mittel gewährleistet, dass beim reaktiven Sputtern im Hochratebereich jeweils die beiden Racetrack-Hälften L_a, L_b und R_a, R_b der Magnetronkathoden 102 eines RDM (d.h. eines Magnetrons mit zwei rohrförmigen Magnetronkathoden) möglichst mit gleicher Stöchiometrie brennen, um eine gleichförmige Beschichtung bei maximaler Abscheiderate zu erhalten.
Die allgemeine Lösung für eine Magnetronanordnung (z.B. eine RSM-Anordnung, d.h. einem Magnetron mit nur einer rohrförmigen Magnetronkathode) ist Kreuztrimmen in Verbindung mit Längs- und Quertrimmen. Herkömmlicherweise wurde der Drehrichtung der Rohrkathoden keine Bedeutung beigemessen. Es wurde festgestellt, dass die Drehrichtung jedoch einen wesentlichen Beitrag zur Optimierung liefern kann, insbesondere für reaktive Sputterprozess. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird bei einem RDM die Gaskanalanordnung 1008 (bzw. die Einlassrichtung und Einlassposition des Prozessgases oder zumindest eines Reaktivgases) bezogen auf die Drehrichtung 1001L, 1001R der jeweiligen Rohrkathode 102 angepasst. Als weiterer Parameter zur Optimierung kann die Drehgeschwindigkeit herangezogen werden, um weitere Unterschiede zwischen den Magnetronkathoden 102 auszugleichen. Die Drehgeschwindigkeit hat beispielsweise einen Einfluss auf den Reaktivgasverbrauch und auch auf die Racetrack-Stöchiometrie der jeweils beiden Racetrack-Hälften einer Rohrkathode 102. Als Kontrolle kann lokale OES herangezogen werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung 1000, wie beispielsweise in 10A und 10B veranschaulicht ist, Folgendes aufweisen: mindestens eine Rohrkathode 102k; eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen der mindestens einen Rohrkathode 102k; mindestens eine Gaszuführung 1008 zum Zuführen von Gas in einer Gasflussrichtung 1009 zu der mindestens einen Rohrkathode 102k; wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode 102k in einer Rotationsrichtung 1001L, 1001R zu rotieren, so dass eine Oberfläche 102o der mindestens einen Rohrkathode 102k entgegen der Gasflussrichtung 1009 bewegt wird. Anschaulich wird im Bereich des Plasmabildungsbereichs 106 einer Magnetronkathode 102 das Reaktivgas aus einer Richtung zugeführt, welche der Rotationsrichtung des Oberflächenbereichs 102o der jeweiligen Rohrkathode 102k im Bereich des Plasmabildungsbereichs 106 entgegengesetzt ist.
Anschaulich wird mittels der Reaktivgaszufuhr ausgeglichen, dass die jeweils in Rotationsrichtung zweite Racetrack-Hälfte metallischer brennt, als die erste Racetrack-Hälfte. Dabei wird das Reaktivgas derart eingeleitet, dass zuerst die entsprechend metallischer brennende auslaufende Racetrack-Hälfte mit Reaktivgas versorgt wird. Anschaulich wird ein Reaktivgasgradient derart bereitgestellt, dass die entsprechend metallischer brennende auslaufende Racetrack-Hälfte mit mehr Reaktivgas versorgt wird, als die oxidischer brennende einlaufende Racetrack-Hälfte. Als Rotationsrichtung des Oberflächenbereichs 102o kann hier die Richtung der Bahngeschwindigkeit betrachtet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Antriebsvorrichtung Teil eines Endblocks sein, wobei die Rohrkathode 102k mittels mindestens eines Endblocks gehalten bzw. drehbar gelagert sein kann (siehe 1C). In der Rohrkathode 102k kann eine Magnetanordnung 104 bereitgestellt sein, welche die Lage und Form des Racetracks 106 definiert (siehe 1B). Die Rohrkathode 102k und die in der Rohrkathode 102k angeordnete Magnetanordnung 104 können die Magnetronkathode 102 bilden oder als Teil der Magnetronkathode 102 verstanden werden. Die funktionelle Einheit aus einer Magnetronkathode 102 oder aus mehreren, z.B. zwei, Magnetronkathoden 102 sowie der Gaszuführung, der Lageranordnung, etc., kann die jeweilige Magnetronanordnung bilden oder als Teil der jeweiligen Magnetronanordnung verstanden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: mindestens eine Prozesskammer; mindestens eine Rohrkathode 102k in der Prozesskammer; eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen (Rotieren bzw. Drehen) der mindestens einen Rohrkathode 102k; mindestens eine Gaszuführung 1008 zum Zuführen von Gas (z.B. Prozessgas oder zumindest ein Reaktivgas) in einer Gasflussrichtung 1009 in die Prozesskammer; wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode 102k in einer Rotationsrichtung 1001L, 1001R zu rotieren, so dass eine Oberfläche 102o (bzw. ein Oberflächenbereich) der mindestens einen Rohrkathode 102k (z.B. im Prozessierbereich, an dem Plasmabildungsbereich, im Reaktionsbereich 301r, oder im Bereich zwischen den beiden Magnetronkathoden 102) entgegen der Gasflussrichtung 1009 bewegt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Gaszuführung 1008 mindestens einen Reaktivgaskanal aufweisen. Ferner kann der mindestens eine Reaktivgaskanal segmentiert sein oder werden.
Wenn nur ein (z.B. segmentierter) Reaktivgaskanal 1008 verwendet wird, wie beispielsweise in 10A veranschaulicht ist, kann dieser mittig und/oder oberhalb zwischen den zwei Magnetronkathoden 102 angeordnet sein oder werden und die Rohrkathoden 102k sind derart zu drehen, dass die auslaufenden Racetrack-Hälften (in diesem Fall L_b und R_a) zuerst von Reaktivgas umspült werden. Aufgrund des Gefälles des Reaktivgaspartialdruckes werden die auslaufenden Racetrack-Hälften mehr mit Reaktivgas versorgt als die einlaufenden (in diesem Fall R_b und L_a) und es kommt zum Ausgleich der vorangehend beschriebenen Stöchiometrie-unterschiede. Die Drehgeschwindigkeit kann für jede Rohrkathode 102k einzeln als Optimierungsparameter herangezogen werden. Mittels einer Segmentierung des Reaktivgaskanals 1008 sind lokale Unterschiede entlang er Längsachse der Magnetronkathoden 102 ausgleichbar, allerdings können Cross-Corner-Effekt sowie Cross-Magnetron-Effekt nicht ausgeglichen werden (dazu müsste die Möglichkeit des Längstrimmens realisiert sein oder werden).
Zum Ausgleichen des Cross-Corner-Effekts sowie des Cross-Magnetron-Effekts können beispielsweise zwei segmentierte Reaktivgaskanäle 1008 verwendet werden. In diesem Fall können diese jeweils (in Transportrichtung 301t) vor und hinter den beiden Magnetronkathoden 102 angeordnet sein oder werden, wie beispielsweise in 10B veranschaulicht ist. In diesem Fall wird das Reaktivgas anschaulich von außen zugeführt 1009, wobei dann die Drehrichtungen 1001L, 1001R der Rohrkathoden 102k derart gewählt wird, dass wieder die jeweils auslaufenden Racetrack-Hälften (in diesem Fall L_a, R_b) zuerst von Reaktivgas umspült werden. Das Reaktivgasgefälle sorgt dann für einen Stöchiometrieausgleich von jeweils einlaufender und auslaufender Racetrack-Hälfte, wobei die Drehgeschwindigkeit der Rohrkathoden 102k einzeln zum Tuning verwendet werden kann. Die Kontrolle (z.B. Steuerung oder Regelung) kann mittels lokaler OES erfolgen, wie vorangehend beschrieben ist. Die Segmente der beiden Reaktivgaskanäle 1008 können getrennt voneinander angesteuert sein oder werden, um gegebenenfalls zum einen die Rohrkathoden 102k unterschiedlich stark mit Reaktivgas versorgen zu können und zum anderen auch ansatzweise Cross-Corner- und Cross-Magnetron-Effekte auszugleichen. Durch die einzelne Ansteuerbarkeit für jeden Plasmabildungsbereich der jeweiligen Magnetronkathode 102 (vgl. beispielsweise 1D und 4A) ist eine Art verallgemeinertes Kreuztrimmen möglich, was nötig sein kann, da die Cross-Corner-Effekte an beiden Rohren durch deren verschiedene Drehrichtung an unterschiedlichen Seiten stärker zum Tragen kommen.
Wie in 10B veranschaulicht ist, können auch Blenden 1020 oder Gasleitbleche 1020 verwendet werden, um den Gasfluss 1009 in Richtung der Racetracks 106 zu leiten. Alternativ können mehrere Gaskanäle derart angeordnet und eingerichtet sein, dass die Racetracks 106 lokal mit Reaktivgas versorgt werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mittels reaktiven Sputterns Folgendes aufweisen: gegensinniges Rotieren zweier Rohrkathoden eines Doppel-Rohrmagnetrons, wobei die jeweilige Rohrdrehrichtung eine einlaufende Racetrack-Hälfte und eine auslaufende Racetrack-Hälfte pro Rohrkathode definiert; und Versorgen der jeweiligen Racetrack-Hälften beider Rohrkathoden mit mindestens einem Reaktivgas derart, dass in den jeweils auslaufenden Racetrack-Hälften eine größere Konzentration (oder ein größerer Partialdruck) an Reaktivgas bereitgestellt ist als in den einlaufenden Racetrack-Hälften.

Claims

Reaktiv-Sputteranordnung (200), aufweisend: • mindestens eine Rohrkathode (102k), welche mittels einer Lageranordnung (112e) drehbar gelagert ist; • eine Antriebsvorrichtung zum Rotieren der mindestens einen Rohrkathode (102k) um eine Rotationsachse (201); • eine Magnetanordnung (104), die in der mindestens einen Rohrkathode (102k) in einer Verkippungsrichtung (201k) um die Rotationsachse (201) verkippt angeordnet ist; • wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode (102k) in einer Rotationsrichtung (201r) zu rotieren, die der Verkippungsrichtung (201k) entgegengesetzt ist.
Reaktiv-Sputteranordnung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Wandelement (114), wobei die mindestens eine Rohrkathode (102k) mittels der Lageranordnung an dem Wandelement (114) befestigt ist.
Reaktiv-Sputteranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetanordnung (104) zwei äußere Magnetreihen (104a) und eine innere Magnetreihe (104i) aufweist, wobei die beiden äußeren Magnetreihen (104a) bezüglich einer Spiegelebene (111) symmetrisch um die innere Magnetreihe (104i) angeordnet sind.
Reaktiv-Sputteranordnung gemäß Anspruch 2 und 3, wobei das Wandelement (114) eine Normalen-Richtung (105) senkrecht zu dem Wandelement (114) definiert, und wobei die Magnetanordnung (104) derart um die Rotationsachse (201) verkippt angeordnet ist, dass die Spiegelebene (111) in einem Winkel (215) zur Normalen-Richtung (105) liegt.
Reaktiv-Sputteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Rohrkathode (102k) zwei Rohrkathoden (102k) aufweist, welche nebeneinander angeordnet sind, wobei die jeweilige Magnetanordnung (104) der beiden Rohrkathoden (102k) entgegengesetzt verkippt angeordnet sind.
Reaktiv-Sputteranordnung gemäß Anspruch 5, wobei die Antriebsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die beiden Rohrkathoden (102k) in entsprechend entgegengesetzte Rotationsrichtungen rotieren.
Prozessieranordnung (300), aufweisend: • eine Prozesskammer (302), welche einen Beschichtungsbereich (301b) aufweist; • ein Transportsystem zum Transportieren eines Substrats (320) innerhalb des Beschichtungsbereichs (301b); • eine Reaktiv-Sputteranordnung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Beschichten des Substrats (320) innerhalb des Beschichtungsbereichs (301b).
Prozessieranordnung gemäß Anspruch 7, wobei das Transportsystem eine Transportfläche (110) definiert, entlang derer das Substrat (320) transportiert wird, wobei die Magnetanordnung (104) derart um die Rotationsachse (201) verkippt angeordnet ist, dass zwei von der jeweiligen Magnetanordnung (104) definierte längserstreckte Plasmaerzeugungsbereiche (206l, 206r) einen unterschiedlichen Abstand (211, 213) zur Transportfläche (110) aufweisen.
Prozessieranordnung (1000), aufweisend: • mindestens eine Prozesskammer (302); • mindestens eine Rohrkathode (102k) in der Prozesskammer (302); • eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen der mindestens einen Rohrkathode (102k); • mindestens eine Gaszuführung (1008) zum Zuführen von Gas in einer Gasflussrichtung (1009) in die Prozesskammer (302); • wobei die Antriebsvorrichtung eingerichtet ist, die mindestens eine Rohrkathode (102k) in einer Rotationsrichtung (1001L, 1001R) zu rotieren, so dass eine Oberfläche (102o) der mindestens einen Rohrkathode (102k) entgegen der Gasflussrichtung (1009) bewegt wird.
Prozessieranordnung gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend: eine Magnetanordnung (104), die in der mindestens einen Rohrkathode (102k) verkippt angeordnet ist.