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Die Erfindung betrifft eine Blendenvorrichtung, die zur Anordnung auf einem tellerartigen Substrathalter ausgebildet ist und der Herstellung von mehrkomponentigen dünnen Schichten dient, und einen solchen tellerartigen Substrathalter mit der Blendenvorrichtung.
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Im Bereich der Plasmaabscheidung zur Herstellung von dünnen Schichten werden sogenannte Magnetronabscheideverfahren oder gepulste Laserablationsverfahren angewandt, bei denen entweder mittels eines ionisierten Gases oder mit Hilfe eines Lasers Material aus einer Materialquelle (Target) herausgeschlagen und auf einem Substrat abgeschieden wird. Hierin ist eine Kombination aus mehreren Metallen von Relevanz, die üblicherweise über die Breite des zu beschichteten Substrats einen Zusammensetzungsgradienten ausweisen. Die Zusammensetzungsvariation beruht darauf, dass das Gas in der Abscheidekammer eine Art Streueffekt hat, der mit zunehmender Distanz zwischen Quelle (Target) und der lateralen Position auf dem Substrat (Ziel), auf dem die dünne Schicht aufgebracht werden soll, zunimmt. Dieser Effekt wird vor allem beim Herstellen von Materialbibliotheken zur Untersuchung der Eigenschaften dünner Schichten aus unterschiedlichen Materialkombinationen genutzt.
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Bei der Herstellung von Materialbibliotheken für die kombinatorische Materialforschung wird durch den Streueffekt nur eine geringe Zusammensetzungsvariation ermöglicht. Dieser Bereich kann erhöht werden, wenn ein höherer Druck zur Verstärkung des Streueffekts während der Abscheidephase verwendet wird, wobei sich aber die Abscheiderate verringert.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur gleichzeitigen (u. a. Co-Deposition, bekannt aus TWI 409 900 B) oder zur sequenziellen Abscheidung bekannt, wobei unterschiedliche Materialien entweder gleichzeitig oder nacheinander aufgebracht werden. Um einen kontinuierlichen Zusammensetzungsgradienten zu erreichen, wird der natürliche Streueffekt des Abscheidegases genutzt, der sich aber nur schwer steuern lässt. Es werden daher bewegliche Blenden verwendet, mit denen bspw. mittels sequenzieller Abscheidung Multilagen-Systeme abgeschieden werden können. Diese Blenden müssen bewegliche Teile aufweisen oder mit Motoren bewegt werden. Einige Materialien lassen sich nur über eine gleichzeitige, aber nicht durch eine sequenzielle Abscheidung herstellen, was insbesondere bei komplexen Oxynitriden, d. h. Verbindungen aus Metall, Sauerstoff und Stickstoff, der Fall ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Blendenvorrichtung für einen tellerartigen Substrathalter zur Herstellung dünner Schichten bereitzustellen, die bei beliebigen Drücken eine verbesserte Zusammensetzungsvariation ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Blendenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, einen tellerartigen Substrathalter bereitzustellen, mit dem verbesserte Zusammensetzungsvariationen von mehrkomponentigen dünnen Schichten ermöglicht werden, wird durch den Substrathalter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst.
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Weiterbildungen der Blendenvorrichtung und des tellerartigen Substrathalters mit einer solchen Blendenvorrichtung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Blendenvorrichtung ist diese so gestaltet, dass sie auf einem tellerartigen Substrathalter angeordnet werden kann, der der Herstellung von mehrkomponentigen dünnen Schichten dient. Erfindungsgemäß weist die Blendenvorrichtung zumindest zwei plättchenförmige Abschnitte auf. Bevorzugt weist die Blendenvorrichtung drei plättchenförmige Abschnitte. Jeder der plättchenförmigen Abschnitte hat eine Längskante. Wenn alle drei plättchenförmigen Abschnitte positioniert sind, um die Blende zu bilden, liegen die drei Längskanten der drei Abschnitte aneinander an und bilden an der Anlagelinie eine zentrale Längsachse L der Blendenvorrichtung aus. Zwischen den plättchenförmigen Abschnitten wird ein vorbestimmter Winkel α aufgespannt. Jeder plättchenförmige Abschnitt hat eine sich in radialer Richtung erstreckende Kante, die in einem Anordnungszustand der Blendenvorrichtung auf dem tellerartigen Substrathalter, die parallel zur Substratoberfläche liegt, daher „substrathalterseitige Kante“, die an ihrem von der zentralen Längsachse L sich weg erstreckenden Ende eine Schwebestütze aufweist. Jede Schwebestütze erstreckt sich in dem Anordnungszustand der Blendenvorrichtung in Richtung des tellerartigen Substrathalters und ist von einer Oberfläche desselben um zumindest eine vorbestimmte herzustellende maximale mehrkomponentigen dünne Schicht beabstandet. Das untere Ende der Schwebestütze mündet in einen Befestigungsfuß, der sich radial von der Schwebestütze ausgehend weg und auch nach unten erstreckt, der also in Bezug auf die substrathalterseitige Kante und auf die Schwebestütze weiter nach unten reicht und die Schwebestützte und den plättchenförmigen Abschnitt in einem gewünschten und vorbestimmten Abstand oberhalb des tellerartigen Substrathalters hält. Dazu hat der Befestigungsfuß eine Befestigungsvorrichtung, die an einer korrespondierenden Befestigungsvorrichtung des tellerartigen Substrathalters festgelegt werden kann.
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Vorteilhaft dienen die plättchenförmigen Abschnitte als Blenden, die in ihrer Anordnung als Blendenvorrichtung gemeinsam bei dem Substrathalter positioniert zusätzlich zum Streueffekt des Gases durch die substrathalterseitige Kante der Blendenabschnitte einen Streueffekt hervorrufen, ähnlich dem eines unscharfen Schattenwurfes. Das Material wird von vielen Richtungen auf das darunterliegende Substrat gestreut, wodurch keine scharf abgegrenzte Materialkante entsteht, sondern eine Art „unscharfer Schattenwurf“. Dadurch wird das Material an verschiedene Positionen auf dem Substrat verteilt, so dass vorteilhaft ein Zusammensetzungsgradient erreicht werden kann. Diese Variation der Zusammensetzung kann auf der Millimeter bis Zentimeter Skala ermöglicht werden.
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In einer alternativen Ausführungsform der Blendenvorrichtung sind auch vier oder mehr Blenden möglich, je nachdem, in welcher Weise der Streueffekt gesteuert werden soll bzw. welche Materialgradientkombinationen erzielt werden sollen. Die Blenden sind dabei auf einer gedachten Kreisfläche gleichverteilt, so dass ein Winkel zwischen je zwei Blenden gleich mit dem Winkel ist, der durch die benachbarten Blenden aufgespannt wird. Die Anzahl der Blenden kann an die Anzahl der verwendeten Targets angepasst sein. Der Abstand zwischen Streukante und Substrat ist von dem Abstand und der Anordnung der Targets in Bezug auf das Substrat und dessen Abmessungen abhängig, gerade wenn die Targets äquidistant zu dem Substrat auf einer Kreislinie um die zentrale Substrat-Flächennormale angeordnet sind, wobei die Targets quasi „zwischen“ den Plättchenabschnitten angeordnet sind, so dass eine Streuung des sputternden Materials erreicht wird. Prinzipiell kann der Abstand empirisch daraus ergeben, in welchem Winkel die Strahlen in Bezug zu einer Normalen in Bezug auf dem Target stehen. Anpassungen dieser Größen sind ggf. empirisch notwendig je nach Streuung in der Gasphase.
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„Mehrkomponentige dünne Schichten“ sind hierin Schichten fester Stoffe, deren Dicke im Mikro- beziehungsweise Nanometerbereich liegt. Solche Schichten zeigen oft ein physikalisches Verhalten (Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit usw.), das von dem Verhalten eines massiven Körpers aus demselben Material abweicht. So können auch Eigenschaften, wie z. B. verbesserte Leitfähigkeit oder optische Eigenschaften erreicht werden, die sonst nicht vorhanden sind. Dünne Schichten werden in der Oberflächenveredelung sowie der Mikroelektronik eingesetzt. Die hierin genannten „mehrkomponentigen dünnen Schichten“ umfassen neben rein metallischen Schichten auch oxidhaltige Schichten sowie dielektrische Schichten und umfassen damit begriffsmäßig das gesamte Schicht-Spektrum.
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Ferner meint „Substrathalter“ jeden Halter von scheiben- oder plattenförmigen Substraten, dessen Oberfläche eine Beschichtung mit einer dünnen Schicht erhalten soll. Solche Substrathalter haben oft eine Rahmenform oder sind als Platte mit einfacher geometrischer Grundform gestaltet, etwa in Form eines Kreises oder eines Polygons, das insbesondere rechteckig gestaltet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung ist die substrathalterseitige Kante beidseitig angefast und spannt einen Winkel im Bereich von 90° bis 140°, bevorzugt von 120°, idealerweise passend zum Winkel der Targets zueinander, auf. Durch die bevorzugte Anordnung der drei Blenden in einem 120° Winkel zueinander ist es möglich, mittels der dadurch gebildeten unscharfen Schatten für die Abscheidequellen nahezu den gesamten Bereich der Zusammensetzungsvariation auf einem Substrat bei nahezu beliebigen Gasdrücken abzuscheiden. Die Winkel der Targets zueinander bestimmt sich bevorzugt nach Anzahl der Targets pro 360°. Ein Einfallswinkel liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 90° bis 45°. Die Schwebestütze sollte dabei so hoch dimensioniert werden, dass es keine direkte Sichtlinie ausgehend von dem Target auf das Substrat jenseits der Streukante gibt. Zur einfacheren Herstellung, Befestigung und Materialeinsparung kann an dem Fuß eine Stufe vorgesehen sein, sie hat aber bei der Streuung keinen Einfluss.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung weist die Schwebestütze an ihrer zu der substrathalterseitigen Kante weisenden Seite eine Längskante auf, die parallel zu der zentralen Längsachse verläuft. Die Kante kann gerundet sein, eine geschwungene Kurve beschreiben oder mit einer Schräge verlaufen. Die Schwebestütze kann einen rechteckigen, runden, bspw. kreiszylindrischen, oder auch beliebig polygonalen Querschnitt haben.
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Ferner kann eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung vorsehen, dass die Längskante, die parallel zu der zentralen Längsachse L verläuft, beidseitig angefast ist und einen Winkel im Bereich von 0° bis 120°, bevorzugt von 90° aufspannt.
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Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung kann jeder plättchenförmige Abschnitt von der Längskante ausgehend eine gerundete Kante aufweisen, die in eine Außenkante der Schwebestütze mündet. Hierdurch wird eine gute Passung in eine beliebige Beschichtungsanlage erreicht, in der ein mit der Blendenvorrichtung bestückter Substrathalter eingesetzt werden kann.
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Gemäß einer noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung ist die Befestigungsvorrichtung des Befestigungsfußes eine Durchtrittsbohrung, mittels der die Blendenvorrichtung sehr einfach auf dem Substrathalter befestigt werden kann, vorausgesetzt, dieser hat entsprechende korrespondierende Bohrungen, in die Schrauben oder Nieten in die entsprechenden Befestigungsvorrichtungspaare von Blendenvorrichtung und Substrathalter eingeführt werden. Es können auch alternative Befestigungsvarianten, wie Klemmungen oder miteinander korrespondierende Eingriffselemente vorgesehen sein.
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Die Blendenvorrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einstückig gefertigt.
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Dies kann bspw. durch ein passendes 3D-Druckverfahren erfolgen. Alternativ können die Blenden auch einzeln gefertigt, z. B. gesägt oder gefräst und dann zusammengeklebt oder verschweißt werden.
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Dadurch, dass die Blendenvorrichtung keine beweglichen Teile benötigt und in einfacher Weise auf den Substrathalter aufgesetzt werden kann, wirkt es rein passiv. Vorteilhaft kann die Blendenvorrichtung aus einem Blech aus Metall hergestellt sein.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen tellerartigen Substrathalter mit einer erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung, die zur Anordnung auf dem Substrathalter gestaltet ist-. Der Substrathalter ist ausgebildet für die Herstellung von mehrkomponentigen dünnen Schichten.
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Die Kombination des Substrathalters mit der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung bewirkt eine gleichmäßige Beschichtung eines zu beschichtenden Substrats bei gleichzeitigem Erzielen eines Zusammensetzungsgradienten über das komplette Substrat hinweg.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrathalters ist dieser kreisrund und weist umfänglich einen Halteflansch auf. Alternativ kann der Substrathalter auch eine andere polygonale Form wie z. B. eine rechteckige Form haben, je nachdem, welche Grundform das zu beschichtende Substrat hat. Der Halteflansch weist bevorzugt eine vorbestimmte Zahl Befestigungsvorrichtungen auf, die vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet sind und jedenfalls so angeordnet sind, dass sie mit den Befestigungsvorrichtungen korrespondieren, die eine auf dem Substrathalter anzuordnende Blendenvorrichtung hat. So kann jede der Befestigungsvorrichtungen des Halteflansches in einem Anordnungszustand mit einer korrespondierenden Blendenvorrichtung mit den Befestigungsvorrichtungen an den Befestigungsfüßen der Blendenvorrichtung in Eingriff stehen. Die Befestigungsvorrichtungen können Durchtrittsöffnungen zum Durchführen von Nieten bzw. Haltestiften oder Bohrungen mit einem Schraubgewinde sein. Andere Befestigungsmöglichkeiten, wie Eingriffsvorrichtungen für Klemmen, sind ebenfalls möglich.
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Vorteilhaft wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Variationsbreite des Zusammensetzungsgradienten bei beliebigen Drücken erhöht. Damit kann eine einfachere Untersuchung eines größeren Zusammensetzungsbereichs erreicht werden, was in der Forschung Zeit sparend und ökonomisch ist. Durch den diffusen Schattenwurf wird ein verbesserter Zusammensetzungsgradient erreicht, der die Herstellung mehrerer Materialbibliotheken überflüssig macht. Es wird eine einzige Materialbibliothek erzeugt, die für die weiteren Materialuntersuchungen ausreichend ist.
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Weitere Ausführungsformen der Blendenvorrichtung und des Substrathalters sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung von schräg oben,
- 2 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung von schräg unten,
- 3 eine schematische Ansicht auf die erfindungsgemäße Blendenvorrichtung von unten, und
- 4 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Blendenvorrichtung angeordnet auf einem Substrathalter.
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1 bis 3 zeigt eine Blendenvorrichtung 1, die aus drei plättchenförmigen Abschnitten 10, 20, 30 aufgebaut ist. Die plättchenförmigen Abschnitte 10, 20, 30 weisen je eine Längskante auf. Diese Längskanten liegen aneinander an und bilden eine zentrale Längsachse L. Die plättchenförmigen Abschnitte 10, 20, 30 erstrecken sich radial von der Längsachse L weg und sind räumlich derart angeordnet, dass zwischen ihnen ein Winkel α, der in 3 bei jeweils 120° liegt, aufgespannt wird.
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Jeder plättchenförmige Abschnitt 10, 20, 30 weist eine substrathalterseitige Kante 11, 21, 31 auf, wie es in einem Anordnungszustand der Blendenvorrichtung 1 auf dem tellerartigen Substrathalter 100 in 4 gezeigt ist. Diese Kante 11, 21, 31 bildet die Streukante, an der während einer Verwendung der Blendenvorrichtung 1 Material auf ein darunter liegendes Substrat 103 gestreut und auf das Substrat 103 schließlich abgeschieden wird. Die substrathalterseitige Kante 11, 21, 31 ist beidseitig angefast und bildet einen Winkel β von 120°. Von der substrathalterseitigen Kante 11, 21, 31 erstreckt sich an jedem plättchenförmigen Abschnitt 10, 20, 30 eine Schwebestütze 12, 22, 32 nach unten, wie in 1, 2 und 4 deutlich zu sehen ist.
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Die Schwebestütze 12, 22, 32 weist jeweils eine an diese substrathalterseitige Kante 11, 21, 31 angrenzende Längskante 16, 26, 36 auf, die parallel zu der zentralen Längsachse L verläuft. Diese Längskanten 16, 26, 36 sind ebenfalls beidseitig angefast.
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Radial von der Schwebestütze 12, 22, 32 weg erstreckt sich ein Befestigungsfuß 13, 23, 33, der eine Befestigungsvorrichtung 14, 24, 34 aufweist. In 1 bis 4 ist dies eine Durchtrittsbohrung.
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Ferner hat jeder plättchenförmige Abschnitt 10, 20, 30 eine gerundete Kante 15, 25, 35, die von der Längsachse L ausgehend in eine Außenkante der Schwebestütze 12, 22, 32 mündet.
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In 4 ist die Blendenvorrichtung 1 auf einem Substrathalter 100 angeordnet, wobei jeder Befestigungsfuß 13, 23, 33 auf einem Halteflansch 101 des Substrathalters 100 anliegt. Der Halteflansch 101 weist Befestigungsvorrichtungen 102 auf, die umfänglich an dem Halteflansche 101 auf diesem äquidistant zueinander angeordnet sind. 4 zeigt Durchtrittsöffnungen. Es sind insgesamt sechs Befestigungsvorrichtungen vorgesehen, wobei in 4 nur eine Befestigungsvorrichtung 102 im vorderen Bildteil sichtbar ist. Die weiteren werden von der Blendenvorrichtung 1 verdeckt. Die Befestigungsvorrichtungen 102 werden von der Blendenvorrichtung 1 in dem in 4 gezeigten Anordnungszustand mit den korrespondierenden Befestigungsvorrichtungen 14, 24, 34 der Befestigungsfüße 13, 23, 33 der Blendenvorrichtung 1 überdeckt.
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Der Halteflansch 101 umgibt das kreisförmige Substrat 103, auf dem dann Material abgeschieden werden kann.
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Die Schwebestütze 12, 22, 32 ist von dem Substrat 103 um einen bestimmten Abstand beabstandet, dessen Höhe sich durch die maximale Dicke der herzustellenden mehrkomponentigen dünnen Schicht bestimmt. Der Abstand kann sich daraus ergeben, in welchem Winkel die Strahlen in Bezug zu einer Normalen in Bezug auf dem Target stehen und wird ggf. empirisch zu bestimmen sein. Die Unterkanten der Schwebestützen 12, 22, 32 können als weitere Streukanten dienen.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Blendenvorrichtung
- 10, 20, 30
- plättchenförmiger Abschnitt
- 11, 21, 31
- substrathalterseitige Kante
- 12, 22, 32
- Schwebestütze
- 13, 23, 33
- Befestigungsfuß
- 14, 24, 34
- Befestigungsvorrichtung
- 15, 25, 35
- abgerundete Kante
- 16, 26, 36
- Längskante
- 100
- Substrathalter
- 101
- Halteflansch
- 102
- Befestigungsvorrichtung
- 103
- Substrat
- L
- Längsachse
- α
- Winkel zwischen plättchenförmigen Abschnitten
