DE10232179B4 - PVD-Verfahren - Google Patents
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Abstract
PVD-Verfahren
mit den Schritten:
– Bereitstellen eines Targetbereichs (30) und eines Substratbereichs (40) in einem Prozessbereich (50),
– Ausbilden eines elektrischen Feldes (E) zwischen dem Targetbereich (30) und dem Substratbereich (40) und
– dadurch teilweises Ionisieren von Prozessgasbestandteilen im Prozessbereich (50), Beschleunigen ionisierter Prozessgasbestandteile auf den Targetbereich (30) zu, Herausschlagen von Targetbestandteilen mittels Prozessgasbestandteilen und teilweises Abscheiden herausgeschlagener Targetbestandteile auf dem Substratbereich (40),
– wobei ein Magnetfeld (B) erzeugt und um eine den Targetbereich (30) und den Substratbereich (40) verbindende Achse als Rotationsachse (R) rotiert wird,
– wobei als Magnetfeld (B) eine Kombination aus mindestens einer ersten Magnetfeldkomponente (B1) und mindestens einer zweiten Magnetfeldkomponente (B2) verwendet wird,
– wobei die ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten (B1, B2) derart zeitlich getrennt zueinander erzeugt werden und in Bezug auf die Rotationsachse (R) zueinander direkt entgegengesetzt polarisiert oder gerichtet, ansonsten aber gleich ausgebildet werden,
– dass die...
– Bereitstellen eines Targetbereichs (30) und eines Substratbereichs (40) in einem Prozessbereich (50),
– Ausbilden eines elektrischen Feldes (E) zwischen dem Targetbereich (30) und dem Substratbereich (40) und
– dadurch teilweises Ionisieren von Prozessgasbestandteilen im Prozessbereich (50), Beschleunigen ionisierter Prozessgasbestandteile auf den Targetbereich (30) zu, Herausschlagen von Targetbestandteilen mittels Prozessgasbestandteilen und teilweises Abscheiden herausgeschlagener Targetbestandteile auf dem Substratbereich (40),
– wobei ein Magnetfeld (B) erzeugt und um eine den Targetbereich (30) und den Substratbereich (40) verbindende Achse als Rotationsachse (R) rotiert wird,
– wobei als Magnetfeld (B) eine Kombination aus mindestens einer ersten Magnetfeldkomponente (B1) und mindestens einer zweiten Magnetfeldkomponente (B2) verwendet wird,
– wobei die ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten (B1, B2) derart zeitlich getrennt zueinander erzeugt werden und in Bezug auf die Rotationsachse (R) zueinander direkt entgegengesetzt polarisiert oder gerichtet, ansonsten aber gleich ausgebildet werden,
– dass die...
Description
- Die Erfindung betrifft ein PVD-Verfahren.
- Es sind verschiedene Verfahren zum Abtragen oder Aufbauen von Materialschichten bekannt. So werden z. B. in der Halbleiterindustrie häufig so genannte PVD-Verfahren eingesetzt (PVD: physical vapor deposition). Grundsätzlich handelt es sich dabei um ein Verfahren der Plasmaentladung, bei welchem in einem Prozessgas zwischen zwei Elektroden über ein angelegtes elektrisches Feld Prozessgasionen erzeugt und dann weiter über das elektrische Feld auf ein Target eines auf einem Substrat abzuscheidenden Materials hin beschleunigt werden. Aufgrund der Bewegungsenergie der beschleunigten Prozessgasionen schlagen diese beim Auftreffen auf dem Target aus diesem Targetbestandteile heraus, welche ihrerseits zu dem dem Target gegenüberliegenden Substrat gelangen und sich dort abscheiden.
- Zur Verbesserung der Abscheidungsraten und -ausbeuten wird die Plasmadichte über dem Target dadurch erhöht, dass im Bereich des Targets zusätzlich zum elektrischen Feld ein Magnetfeld aufgebaut wird. Dieses Magnetfeld – man spricht dann auch vom so genannten Magnetronsputtern – reduziert auch den Ladungsträgerverlust, insbesondere den Elektronenverlust. Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Abtragens von Targetmaterial am Target wird das Magnetfeld in Bezug auf das Target in Rotation versetzt, so dass sich ein gleichmäßiger Abtrag an Targetmaterial ergibt.
- Problematisch beim Magnetronsputtern mit Magnetfeldern ist, dass sich aufgrund der Relativbewegung der Prozessgasionen zum Magnetfeld und der daraus resultierenden geschwindigkeitsabhängigen Lorentzkraft eine Asymmetrie der Bewegung der zum Target hin beschleunigten Prozessgasionen zur Richtung der Normalen oder Senkrechten auf der Targetoberfläche ergibt.
- Das bedeutet, dass die Winkelverteilung der auf der Targetoberfläche auftreffenden Prozessgasionen in Bezug auf die Normale der Targetoberfläche nicht mehr symmetrisch ist. Vielmehr stellt sich eine Vorzugsrichtung in Richtung der Bahnbewegung der Lorentzablenkung ein. Das bedeutet, dass die Prozessgasionen vorzugsweise in Richtung der Bahngeschwindigkeit oder der Lorentzablenkung auf der Targetoberfläche auftreffen. Entsprechend ist auch der Abtrag an Targetbestandteilen nicht mehr symmetrisch zur Normalen der Targetoberfläche. Die Targetbestandteile eilen der Targetoberfläche ebenfalls bevorzugt in Richtung der Bahngeschwindigkeit oder Lorentzablenkung davon.
- Dies führt zu Asymmetrien auch beim Materialauftrag auf der Substratoberfläche und somit zu systematischen Fehlern bei dem Aufbau von Strukturen im Mikrobereich.
- Die
JP 05 148 640 A - Die
WO 90/13137 A1 - Die Druckschrift
DE 199 47 935 A1 betrifft eine Einrichtung zum Magnetronzerstäuben, wobei innerhalb einer Vakuumkammer mindestens zwei Targets vorgesehen sind, wobei jedem Target ein Magnetsystem zugeordnet ist. Über ein Hubsystem kann der Abstand zwischen den jeweiligen Magnetsystemen und dem Targetmaterial eingestellt werden. - Die
US 6,193,854 B1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Erosionsprofils beim kathodischen Magnetronsputtern, wobei magnetische Anordnungen vorgesehen sind, die in Bezug einer Magnetplatte und deren Zentrum einwärts oder auswärts bewegt werden können, während die magnetische Anordnung rotiert. - Die
DE 198 27 587 A1 offenbart eine Einrichtung zum plasmagestützten Schichtabscheiden, wobei zwei im Wesentlichen in einer Ebene parallel nebeneinander liegende Einzelmagnetrons mit einer gleichen Magnetfeldeinrichtung vorgesehen sind. Jede Magnetfeldeinrichtung weist einen inneren Magnetpol und einen äußeren Magnetpol auf. Letzterer besitzt eine Polarität, die derjenigen des inneren Magnetpols entgegengesetzt ist. - Die
US 5,512,156 A betrifft eine Sputterelektrode für eine Magnetsputteranordnung. Die Elektrodenanordnung besitzt Permanentmagnete, die entlang einer Längskante angeordnet sind und magnetische Kräfte parallel zur Oberfläche des flachen und plattenartigen Targets ausüben sollen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein PVD-Verfahren zu schaffen, bei welchem auf besonders einfache Art und Weise ein möglichst hoher und symmetrischer Materialabtrag am Target und ein möglichst hoher und symmetrischer Materialauftrag am Substrat erreichbar sind.
- Gelöst wird die Aufgabe durch ein PVD-Verfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiter bildungen des erfindungsgemäßen PVD-Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Erfindungsgemäß wird ein PVD-Verfahren vorgeschlagen mit den Schritten: Bereitstellen eines Targetbereichs und eines Substratbereichs in einem Prozessbereich, Ausbilden eines elektrischen Feldes zwischen dem Targetbereich und dem Substratbereich und dadurch teilweises Ionisieren von Prozessgasbestandteilen im Prozessbereich, Beschleunigen ionisierter Prozessgasbestandteile auf den Targetbereich zu, Herausschlagen von Targetbestandteilen mittels Prozessgasbestandteilen und teilweises Abscheiden herausgeschlagener Targetbestandteile auf dem Substratbereich, wobei ein Magnetfeld erzeugt und um eine den Targetbereich und den Substratbereich verbindende Achse als Rotationsachse rotiert wird, wobei als Magnetfeld eine Kombination aus mindestens einer ersten Magnetfeldkomponente und mindestens einer zweiten Magnetfeldkomponente verwendet wird, wobei die ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten derart zeitlich getrennt zueinander erzeugt werden und in Bezug auf die Rotationsachse zueinander direkt entgegengesetzt polarisiert oder gerichtet, ansonsten aber gleich ausgebildet werden, dass die vektorielle Summe der ersten und zweiten Magnetfeldkomponente des Magnetfelds außerhalb der Rotationsachse in Bereichen des Targetbereichs und/oder des Substratbereichs zumindest im zeitlichen Mittel verschwindet. Dadurch ergibt sich eine symmetrische Winkelverteilung auf das Target auftreffender Prozessgasionen.
- Dies kann auf verschiedene Arten und Weisen realisiert werden, z. B. durch eine interne Bewegung des Feldes selbst, z. B. durch eine Rotation außerhalb der eigentlichen Rotationsachse, durch ein Umpolen oder Abändern der Anordnung der Felder oder dergleichen.
- Es ist deshalb vorgesehen, dass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des PVD-Verfahrens als Magnetfeld eine Kombination aus mindestens einer ersten Magnetfeldkomponente und mindestens einer zweiten Magnetfeldkomponente verwendet wird und dass die erste und die zweite Magnetfeldkomponente zueinander direkt entgegengesetzt polarisiert oder ausgerichtet, ansonsten aber im Wesentlichen gleich ausgebildet sind oder werden. Durch die Kombination der ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten wird dann insgesamt das eigentliche zu applizierende Magnetfeld erzeugt.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden dabei die einzelnen Magnetfeldkomponenten zur Kombination des gesamten äußeren Magnetfelds gleichzeitig verwendet und/oder erzeugt.
- Zum Beispiel kann es bevorzugterweise vorgesehen sein, dass die Magnetfeldkomponenten in Bezug auf die Rotationsachse des gesamten Magnetfelds diametral gegenüber liegend und asymmetrisch zueinander erzeugt und/oder angeordnet sind oder werden. Zum Beispiel kann auf der einen Seite der Rotationsachse des Magnetfelds an einer ersten Position eine Kombination aus Nordpol und Südpol ausgebildet sein, während diametral gegenüber liegend eine entsprechende Kombination aus Südpol und Nordpol ausgebildet ist, so dass sich in Bezug auf die Rotationsachse Nordpol und Südpol der Magnetfeldkomponenten direkt gegenüberstehen.
- Beim erfindungsgemäßen PVD-Verfahren ist es also vorgesehen, dass die Magnetfeldkomponenten nicht gleichzeitig, sondern zeitlich getrennt voneinander erzeugt, angeordnet und zur Wirkung gebracht sind oder werden. Das kann z. B. bedeuten, dass zunächst die eine Komponente für eine bestimmte Zeitspanne verwendet wird und dann nachfolgend die andere Komponente, welche der ersten entgegengesetzt polarisiert ausgebildet ist, für eine andere Zeitspanne verwendet wird.
- Dabei ist es vorteilhaft, dass erste und zweite Zeitspannen der getrennten Verwendung und/oder Erzeugung der ersten und der zweiten Magnetfeldkomponenten jeweils einzeln und/oder in ihrer jeweiligen Summe in etwa zueinander gleich gewählt wer den. Durch die in etwa zeitlich gleiche Erzeugung und/oder Applikation entgegengesetzt polarisierten Magnetfeldkomponenten wird gerade die zeitliche Mittelung zur Erzeugung eines in der vektoriellen Summe verschwindenden Magnetfeldes verwirklicht.
- Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen PVD-Verfahrens ist es vorgesehen, dass die zweite oder erste Magnetfeldkomponente jeweils aus der ersten bzw. zweiten Magnetfeidkomponente durch Umpolen, Umdrehen und/oder Anordnen einer jeweils verwendeten Magnetfeldeinrichtung erzeugt werden.
- Bei einer PVD-Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen PVD-Verfahrens sind ein Targetbereich und ein Substratbereich vorgesehen, welche in einem Prozessbereich mit einem Prozessgas räumlich zueinander beabstandet angeordnet sind, und zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugbar ist. Des Weiteren ist eine Magnetfeldeinrichtung vorgesehen, durch welche ein Magnetfeld zumindest im Bereich des Targetbereichs und/oder des Substratbereichs erzeugbar ist und welches insbesondere um eine den Targetbereich und den Substratbereich verbindend durchmessende Achse oder Symmetrieachse als Rotationsachse rotierbar ist, wobei durch die Magnetfeldeinrichtung das Magnetfeld außerhalb der Rotationsachse des Magnetfeldes in Sektoren oder Bereichen des Targetbereichs und/oder des Substratbereichs zumindest im zeitlichen Mittel im Wesentlichen verschwindend ausbildbar ist.
- Es ist somit ein Aspekt der PVD-Vorrichtung, die Magnetfeldeinrichtung derart auszubilden, dass durch diese das Magnetfeld außerhalb der Rotationsachse in Bereichen oder Sektoren des Targetbereichs und/oder des Substratbereichs erzeugbar ist, welches, wiederum zeitlich gemittelt, im Wesentlichen verschwindend ausbildbar ist.
- Dazu ist es vorgesehen, dass die Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung von mindestens einer ersten Magnetfeldkomponente und mindestens einer zweiten Magnetfeldkomponente derart ausgebildet ist, dass die Magnetfeldkomponenten zueinander direkt entgegengesetzt polarisiert, ansonsten aber im Wesentlichen gleich ausbildbar sind.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der PVD-Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Magnetfeldeinrichtung mindestens eine erste und mindestens eine zweite Magneteinrichtung aufweist. Durch diese werden insbesondere die erste Magnetfeldkomponente bzw. die zweite Magnetfeldkomponente erzeugt.
- Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die ersten und zweiten Magneteinrichtungen zueinander entgegengesetzt polarisiert oder polarisierbar ausgebildet, angeordnet oder anordenbar sind. Das heißt, die entgegengesetzte Polarisation der Magnetfeldkomponenten kann durch ein Anordnen oder Ändern der Anordnung der Magneteinrichtung geschehen oder durch ein Umpolen der Magneteinrichtungen als solche, oder durch ein entsprechendes Beschalten mit einer Verteilung felderzeugender elektrischer Ströme.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der PVD-Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die ersten und zweiten Magneteinrichtungen in Bezug auf die Rotationsachse diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
- Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Magnetfeldeinrichtung um die Rotationsachse rotierbar ausgebildet ist, insbesondere oberhalb des Targetbereichs außerhalb des Prozessbereichs. Alternativ dazu kann die Magnetfeldeinrichtung auch stationär angeordnet sein und sich die Magnetfeldrotation durch ein entsprechendes Ansteuern oder Beschalten der Magnetfeldeinrichtung ergeben.
- Bei einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine einzige Magneteinrichtung ausgebildet ist, dass die Magneteinrichtung um eine Körperachse der Magneteinrichtung zumindest zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegbar oder rotierbar ausgebildet ist und dass in der ersten Stellung eine erste Magnetfeldkomponente und in der zweiten Stellung eine zweite Magnetfeldkomponente erzeugbar sind, wobei die Magnetfeldkomponenten zueinander direkt entgegengesetzt polarisiert sind.
- Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Körperachse der Magnetfeldeinrichtung zur Rotationsachse parallel oder senkrecht ausgebildet ist. Dabei ergibt sich also eine Verschiebung in Richtung der Rotationsachse bzw. senkrecht dazu.
- Bei einer weiteren Ausführungsform der PVD-Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Magnetfeldeinrichtung und insbesondere die Magneteinrichtungen jeweils eine individuelle Magnetfeldabschirmeinrichtung aufweisen, durch welche das jeweilige Magnetfeld oder die jeweilige Magnetfeldkomponente abschirmbar ist, insbesondere gegenüber dem Targetbereich.
- Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Magnetfeldabschirmeinrichtung ein magnetisch hoch permeables Material aufweist, um die Abschirmwirkung besonders günstig zu gestalten.
- Bei einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Magnetfeldeinrichtung und insbesondere die Magneteinrichtungen in Richtung der Rotationsachse des Magnetfelds verschiebbar ausgebildet sind, insbesondere zwischen einer ersten dem Targetbereich angenäherten Stelle und einer zweiten dem Targetbereich entfernten Stellung.
- Die Magneteinrichtungen können auf verschiedene Arten und Weisen ausgebildet sein. Zum einen kann es sich bei den Magneteinrichtungen um Permanentmagnete handeln. Dabei können dann die entsprechenden Feldgeometrien des gesamten Magnetfeldes und insbesondere der jeweiligen Magnetfeldkomponenten durch die Wahl der Anordnung einzelner Magnete oder durch die Bewegung einzelner Magnete in Bezug auf einander und in Bezug auf den Targetbereich ausgebildet werden.
- Andererseits können die Magnetfeldeinrichtung und insbesondere die einzelnen Magneteinrichtungen auch als Anordnungen stromdurchflossener Leiter, z. B. Spulen, ausgebildet sein. Die jeweilige Geometrie des magnetischen Feldes und deren zeitliche Änderung kann dann bewerkstelligt werden entweder wiederum durch die Bewegung oder Anordnung der stromdurchflossenen Leiter oder Spulen gegeneinander, zusätzlich oder alternativ durch die Art und Weise des Beaufschlagens der stromdurchflossenen Leiter mit elektrischen Strömen. Durch eine entsprechende Beschaltung und Steuerung der Anordnung stromdurchflossener Leiter kann dann, z. B. ohne dass die stromdurchflossenen Leiter ihre Lage zueinander oder zum Targetbereich ändern, ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt werden.
- Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Bemerkungen:
Zum Deponieren unterschiedlichster Schichten in der Halbleiterindustrie wird oftmals ein PVD-Prozess (physical vapor deposition) verwendet. Dabei handelt es sich z. B. um eine DC-Plasmaentladung. Es werden z. B. auf ein metallisches Target hin Ionen beschleunigt, die aufgrund ihrer kinetischen Energie Bestandteile aus dem Target herausschlagen oder sputtern. Diese Bestandteile deponieren nach einem möglichst stoßfreien Transport durch eine Kammer auf einem Substrat. - In Abänderung des reinen PVD-Verfahrens existieren fortentwickelte Verfahren, bei denen ein Teil z. B. der Metallatome nachionisiert wird, so dass zusätzlich zum metallischen Neutralteilchenstrom auch ionisiertes Metall das Substrat er reicht. Um eine höhere Plasmadichte zu erreichen (höhere Sputterrate), wird oberhalb des Targets ein Magnet angebracht (Magnetronmagnet), der u. a. den Elektronenverlust reduziert und dadurch eine erhöhte Plasmadichte unterhalb dieses Magneten erzeugt. In heute kommerziell erwerblichen Anlagen rotiert der Magnetronmagnet oberhalb des Targets, wodurch ein gleichmäßiger Abtrag am Target bewirkt wird.
- Die Gasionen werden im elektrischen Feld in Richtung Target beschleunigt. Zusätzlich wirkt das Magnetfeld auf die Gasionen und verursacht eine Ablenkung dieser in Richtung der Rotation. Die Gasionen treffen somit nicht in Normalenrichtung auf das Target auf. Dies bewirkt eine ebenfalls in Rotationsrichtung asymmetrische Verteilung der gesputterten Metallatome. Für die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht bedeutet dies eine Asymmetrie bezüglich der Rotationsrichtung.
- Bisher wurde keine Vermeidung der oben angesprochenen Problemstellung vorgenommen, da als erster Ordnung Effekt zuerst die radiale Asymmetrie in Bezug auf die Rotationsachse auf dem Substrat reduziert wurde. Das Problem der Asymmetrie in Rotationsrichtung tritt aber bei vielen Anwendungen und Strukturen auf und muss in diesem Zusammenhang gelöst werden.
- Durch diese Erfindung werden neue Strukturen und ein neuer Prozess zur Vermeidung der Asymmetrie in Rotationsrichtung des Magnetronmagneten vorgeschlagen.
- Die auf das Target beschleunigten Gasionen werden durch die Lorentz-Kraft FL abgelenkt.
- Abschätzungen für typische Prozessbedingung beim Magnetronsputtern ergeben eine Ablenkung der Gasionen von ungefähr 5°.
2 unten gibt das Ergebnis einer Simulation der Winkelverteilung bei verschiedenen Prozessen wieder. Der Verlauf der gestrichelten Kurve, bei deren Berechnung Magnetronpro zessbedingungen angenommen wurden, bestätigt die theoretischen Abschätzungen. - Die somit schräg auf das Target eintreffenden Gasionen sputtern Metallatome.
3 zeigt die Vorzugsrichtung der Winkelverteilung der gesputterten Metallatome. Bei schrägem Einfall auf das Target ergibt sich eine Asymmetrie bezüglich der Rotationsrichtung. Zur Vermeidung dieser Asymmetrie werden erfindungsgemäß verschiedene Strukturen und Prozesse, die jeweils die Modifikation des Magnetronmagneten beinhalten, vorgeschlagen. - Durch die Einführung neuer Magnetronmagnete oder die Einführung neuer Prozesse wird die Asymmetrie in Rotationsrichtung des Magnetronmagneten bezüglich der Schichtabscheidung auf einem Substrat reduziert.
-
4 ,5 und6 unten zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.4 zeigt einen Magnetronmagneten, der aus zwei Teilen unterschiedlicher Polung besteht. In diesem Fall brennt ein Plasma unter beiden Magneten, wodurch die Sputterrate erhöht wird. -
5 zeigt eine ähnliche Struktur wie4 , die ebenfalls aus zwei Magnetronmagneten besteht. Hier sind die Magnete aber beweglich gelagert. Die erste Hälfte des Prozesses wird mit abgesenktem rechten Magneten durchgeführt, die zweite Hälfte mit abgesenktem linken. Aufgrund des räumlichen Abfalls des Magnetfeldes wirkt dieses nicht auf die Kammer und das Plasma in der erhöhten Position. Optional kann alternativ oder zusätzlich zum Absenken eine Abschirmung des Magnetfeldes vorgesehen sein, wobei dann zwischen Magnet und Target eine Abschirmeinrichtung eingeschoben würde. - In
6 wird nur ein Magnetronmagnet vorgeschlagen, der aber symmetrisch gearbeitet ist. Durch einen Umklappvorgang in der zweiten Hälfte des Prozesses kommt es zur gewünschten Umpolung des magnetischen Feldes - Als neuer Prozess wird u. a. vorgeschlagen, die PVD-Schichtabscheidung in zwei Kammern mit Magnetronmagneten unterschiedlicher Polung durchzuführen.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
1 ist eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer PVD-Vorrichtung. -
2 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Flugrichtung ionisierter Prozessgasbestandteile und der Anwesenheit eines Magnetfeldes in Form eines Graphen. -
3A und3B zeigen die Verhältnisse des Materialabtrags am Target in Abhängigkeit von der Anwesenheit eines rotierenden Magnetfeldes. -
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer PVD-Vorrichtung. -
5A ,5B zeigen zwei Zustände bei einer weiteren Ausführungsform einer PVD-Vorrichtung. -
6A und6B zeigen zwei Zustände bei einer anderen Ausführungsform einer PVD-Vorrichtung. -
1 zeigt anhand einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht eine erste Ausführungsform einer PVD-Vorrichtung1 . - Bei dieser PVD-Vorrichtung
1 ist in einem Prozessbereich50 , z. B. in einem Rezipienten, auf der einen Seite ein Target30 eines abzuscheidenden Materials vorgesehen. Dem Target30 gegenüberstehend ist ein zu beschichtendes Substrat40 im Prozessbereich50 eingebracht. Vorangehend und nachfolgend werden Target30 und Substrat40 auch als Targetbereich30 bzw. als Substratbereich40 bezeichnet, beide Bezeichnungen werden synonym verwandt. Die Anordnung aus Prozessbereich50 , Targetbereich30 und Substratbereich40 ist bezüglich einer Symmetrieachse R zylindersymmetrisch aufgebaut. Auf der vom Prozessbereich50 abgewandten Seite des Targetbereichs30 ist eine Magnetfeldeinrichtung10 mit einer einzelnen Magneteinrichtung11 vorgesehen. Die Magneteinrichtung11 ist in der Ausführungsform der1 ein Magnet mit einem Südpol auf der rechten und einem Nordpol auf der linken Seite. Die Magneteinrichtung11 ist bezüglich einer Körperachse Σ spiegelsymmetrisch aufgebaut. Die Magneteinrichtung11 selbst kann um die Rotationsachse R in eine Rotationsbewegung r versetzt werden. Bei der in1 angezeigten Ausrichtung bewegt sich bei der Rotation der Magneteinrichtung11 um die Achse R der Nordpol N der Magneteinrichtung11 immer auf der Innenseite, während der Südpol S der Magneteinrichtung11 immer auf der Außenseite läuft. Durch eine Rotation oder durch ein Verklappen um die Körperachse Σ der Magneteinrichtung11 gemäß der Klapprichtung oder Rotationsrichtung σ kann die Magneteinrichtung11 zu dem in1 gezeigten Polarisationszustand entgegengesetzt ausgerichtet werden, so dass sich die in runden Klammern angegebene Ausrichtung ergibt, wobei dann der Südpol S der Magneteinrichtung11 an der Rotationsachse R angeordnet ist und wobei der Nordpol N der Magneteinrichtung11 von der Rotationsachse R abgewandt angeordnet ist. - Zwischen dem Targetbereich
30 und dem Substratbereich40 wird beim Ausführen des erfindungsgemäßen PVD-Verfahrens mittels der PVD-Vorrichtung1 ein elektrisches Feld E ausgebildet. Gleichzeitig erzeugt die Magnetfeldeinrichtung10 mit ihrer einzelnen Magneteinrichtung11 ein magnetisches Feld B. Letzeres wird durch Rotation um die Achse R in Richtung r über dem Targetbereich30 rotiert. Durch Wechseln der Ausrichtungen gemäß dem Verklappen oder dem Rotieren um die Körperachse Σ kann dann eine Symmetrisierung in Bezug auf die jeweiligen Sektoren oder Bereiche des Targetbereichs30 und/oder des Substratbereichs40 erfindungsgemäß erzeugt werden. -
2 zeigt in Form eines Graphen eine Häufigkeitsverteilung der Prozessgasteilchen im Rezipienten oder im Prozessbereich50 , welche auf dem Target30 auftreffen, für den Fall, dass als Prozessgas Argon verwendet wird. Die Kurve A der2 zeigt dabei die Ionenverteilung an Argonionen für den Fall eines verschwindenden Magnetfeldes. Man erkennt, dass die Häufigkeit um den Ursprung, d. h. um einen Winkel von 0°, welcher der Normalen auf dem Targetbereich30 entspricht, herum konzentriert ist, und zwar in im Wesentlichen symmetrischer Form. Die gestrichelte Kurve B zeigt dagegen die Argonionenverteilung als Funktion des Winkels bezüglich der Normalen auf der Targetoberfläche beim Anlegen einer magnetischen Flussdichte B = 500 G. Man erkennt deutlich, dass die Häufigkeit um einen Winkel von etwa –5° in Bezug auf die Normale des Targets konzentriert ist, also in Bezug auf die Normale bei 0° asymmetrisch verläuft. - Die vorliegende Erfindung ist bemüht, diese asymmetrische Verteilung bei der Verwendung eines rotierenden Magnetfeldes im Rahmen eines PVD-Verfahrens zu vermeiden.
-
3 verdeutlicht, dass aufgrund der Richtungsverteilung gemäß2 auch eine Richtungsverteilung in Bezug auf den Materialabtrag am Target30 die Folge ist. -
3A entspricht dabei dem Yield oder Materialabtrag Y1, Y2 für den Fall eines verschwindenden rotierenden Magnetfeldes. Dies entspricht somit der Situation der Kurve A aus2 . Der Teilchenstrom P an Prozessgasionen trifft dabei parallel zur Normalen n des Targets30 auf das Target30 auf. Aufgrund der kinetischen Energie der Prozessgasionen P werden Bestandteile des Substratbereichs30 aus der Oberfläche herausgeschlagen und verlassen den Targetbereich30 in Bezug auf die Normale n in symmetrischer Art und Weise, was durch die zur Yield-Wolke Y1 symmetrische Yield-Wolke Y2 verdeutlicht wird. - Bei der
3B ist der Ionenstrom P an Prozessgasionen um einen Winkel α zur Normalen n des Targetbereichs30 geneigt. Die beim Herausschlagen entstehenden Yield-Wolken Y1 und Y2 sind entsprechend asymmetrisch ausgebildet, und zwar derart, dass die Yield-Wolke Y1 in Richtung r der Rotation gegenüber der Situation der3A verstärkt ausgeprägt ist, während die rückwärtige Yield-Wolke Y2 gegenüber der Situation aus3A ohne Magnetfeld vermindert ausgeprägt ist. - Diese Problematik wird durch die vorliegende Erfindung vermieden.
-
4 zeigt ebenfalls in schematischer und seitlicher Querschnittsansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen PVD-Vorrichtung. Hierbei weist die Magnetfeldeinrichtung10 eine erste Magneteinrichtung11 und eine zweite Magneteinrichtung12 auf. Die erste und zweite Magneteinrichtung11 und12 stehen sich in Bezug auf die Rotationsachse R diametral gegenüber. Sie weisen gleiche Eigenschaften auf, sind aber so angeordnet und orientiert, dass sich jeweils entgegengesetzte Pole in Bezug auf die Rotationsachse R gegenüber stehen. Im Betrieb werden die erste und zweite Magneteinrichtung11 und12 gemeinsam und relativ zueinander fixiert um die Rotationsachse R auf der vom Prozessbereich50 abgewandten Seite des Targets30 rotiert. Aufgrund der entgegengesetzt orientierten Ausrichtung der beiden Magneteinrichtungen11 und12 in Bezug auf die Rotationsachse R ergibt sich im zeitlichen Mittel in jedem Bereich oder Sektor des Targetbereichs30 außerhalb der Rotationsachse R gemittelt eine symmetrische Feldverteilung, wodurch im Mittel die Y ield-Asymmetrie oder die Asymmetrie des Materialabtrags am Target30 verhindert wird. - Die
5A und5B zeigen zwei Betriebszustände einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen PVD-Vorrichtung. Auch hier sind wie bei der Ausführungsform der4 bei der Magnetfeldeinrichtung10 zwei Magneteinrichtungen11 und12 vorgesehen, die in Bezug aufeinander bis auf ihre asymmetrisch entgegengesetzt ausgerichtete Orientierung ihrer Pole in Bezug auf die Rotationsachse R gleich ausgebildet sind. Im Betrieb werden, wie bei der Ausführungsform der4 , die beiden Magneteinrichtungen11 und12 gemeinsam und zueinander relativ fixiert um die gemeinsame Rotationsachse R auf der vom Prozessbereich50 abgewandten Seite des Targetbereichs30 rotiert. Dabei kommt in einer ersten Phase der Prozessführung, welche durch die5A verdeutlicht wird, nur die erste Magneteinrichtung11 zum Tragen, weil die zweite Magneteinrichtung12 in Richtung der gemeinsamen Rotationsachse R verschoben und somit vom Targetbereich30 weiter beabstandet ist als die erste Magneteinrichtung11 . Im Zustand der5B ist der Fall dagegen umgekehrt. Dort nämlich ist die zweite Magneteinrichtung12 an das Target angenähert, während die erste Magneteinrichtung nunmehr in Richtung der gemeinsamen Rotationsachse R verschoben und somit vom Targetbereich30 beabstandet angeordnet ist, so dass deren Feldkomponente B1 in dieser Prozessphase nicht zum Tragen kommt. - Die
6A und6B zeigen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen PVD-Vorrichtung. Bei diese Ausführungsform ist aber wiederum nur eine einzige Magneteinrichtung11 bei der Magnetfeldeinrichtung vorgesehen. Jedoch ist hier die einzelne Magneteinrichtung11 spiegelsymmetrisch zu einer Körperachse Σ ausgebildet, welche hier in die Zeichenebene zeigt und somit senkrecht verläuft in Richtung der Rotationsachse R. Die Magneteinrichtung11 der Ausführungsform der6A und6B vereinigt somit in sich zwei Magnete entgegengesetzt orientierter Ausrichtung. Im Prozesszustand der6A ist die erste Seite dem Targetbereich30 nahegebracht, bei welcher ein Nordpol N in der Nähe der Rotationsachse R liegt und ein Südpol S von ihr abgewandt angeordnet ist. In diesem Zustand wird für eine erste Zeitspanne T1 der Magnet um die Achse R rotiert. Für eine zweite Zeitspanne T2, die aus Symmetriegründen nicht wesentlich verschieden sein darf von der ersten Zeitspanne T1, wird dann die Anordnung der6B gewählt, um dann die Magneteinrichtung11 wiederum um die Achse R über dem Targetbereich30 zu rotieren. Man gelangt zur Anordnung der6B , indem man die Magneteinrichtung11 aus dem Zustand der6A herüberklappt in den Zustand der6B , wie das gepunktet angedeutet ist. Sind die Zeitspannen T1 und T2 des Rotierens der Magneteinrichtung11 im Zustand der6A und im Zustand der6B in etwa gleich, so ergibt sich im zeitlichen Mittel außerhalb der Rotationsachse R in Bereichen oder Sektoren des Targetbereichs30 und/oder des Substratbereichs40 ein im Wesentlichen symmetrisches Feld, auch wenn für jeden der einzelnen Prozessabschnitte6A und6B die Feldverteilung in diesen Bereich asymmetrisch ist. -
- 1
- PVD-Vorrichtung
- 10
- Magnetfeldeinrichtung
- 11
- Erste Magneteinrichtung
- 12
- Zweite Magneteinrichtung
- 30
- Targetbereich, Target,
- 40
- Substratbereich, Substrat
- 50
- Prozessbereich, Rezipient
- α
- Winkel zwischen Prozessgasionenstrom und Targetnormaler
- B
- Magnetfeld, magnetische Flussdichte
- B1
- erste Magnetfeldkomponente
- B2
- zweite Magnetfeldkomponente
- E
- Elektrisches Feld, elektrische Feldstärke
- S
- Magnetischer Südpol
- N
- Magnetischer Nordpol
- n
- Normale auf dem Target
- P
- Porzessgasionenstrom
- R
- Rotationsachse
- r
- Rotationsrichtung
- Σ
- Körperachse Rotationsrichtung
- T1
- erste Zeitspanne
- T2
- zweite Zeitspanne
- Y1
- Yield-Wolke, Materieabtrag
- Y2
- Yield-Wolke, Materieabtrag
Claims (5)
- PVD-Verfahren mit den Schritten: – Bereitstellen eines Targetbereichs (
30 ) und eines Substratbereichs (40 ) in einem Prozessbereich (50 ), – Ausbilden eines elektrischen Feldes (E) zwischen dem Targetbereich (30 ) und dem Substratbereich (40 ) und – dadurch teilweises Ionisieren von Prozessgasbestandteilen im Prozessbereich (50 ), Beschleunigen ionisierter Prozessgasbestandteile auf den Targetbereich (30 ) zu, Herausschlagen von Targetbestandteilen mittels Prozessgasbestandteilen und teilweises Abscheiden herausgeschlagener Targetbestandteile auf dem Substratbereich (40 ), – wobei ein Magnetfeld (B) erzeugt und um eine den Targetbereich (30 ) und den Substratbereich (40 ) verbindende Achse als Rotationsachse (R) rotiert wird, – wobei als Magnetfeld (B) eine Kombination aus mindestens einer ersten Magnetfeldkomponente (B1) und mindestens einer zweiten Magnetfeldkomponente (B2) verwendet wird, – wobei die ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten (B1, B2) derart zeitlich getrennt zueinander erzeugt werden und in Bezug auf die Rotationsachse (R) zueinander direkt entgegengesetzt polarisiert oder gerichtet, ansonsten aber gleich ausgebildet werden, – dass die vektorielle Summe der ersten und zweiten Magnetfeldkomponente (B1, B2) des Magnetfelds (B) außerhalb der Rotationsachse (R) in Bereichen des Targetbereichs (30 ) und/oder des Substratbereichs (40 ) zumindest im zeitlichen Mittel verschwindet. - PVD-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Rotationsachse (R) eine Symmetrieachse des Targetbereiches (
30 ) und des Substratbereichs (40 ) verwendet wird. - PVD-Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Zeitspannen (T1), in denen Magnetfeldkomponenten (B1) erzeugt und/oder angewendet werden, und zweite Zeitspannen (T2), in denen Magnetfeldkomponenten (B2) erzeugt und/oder angewendet werden, einzeln oder in ihrer jeweiligen Summe gleich zueinander gewählt werden, wobei die Magnetfeldkomponenten (B1, B2) zeitlich getrennt erzeugt und/oder angewendet werden.
- PVD-Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Magnetfeldkomponente (B2) aus der ersten Magnetfeldkomponente (B1) und die erste Magnetfeldkomponente (B1) aus der zweiten Magnetfeldkomponente (B2) durch Umpolen einer jeweils verwendeten ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung (
10 ) erzeugt werden. - PVD-Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldkomponenten (B1, B2) in Bezug auf die Rotationsachse (R) diametral gegenüber liegend und antisymmetrisch zueinander erzeugt und/oder angeordnet werden.
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