DE10234856A1

DE10234856A1 - Einrichtung zum Beschichten durch Magnetron-Sputtern

Info

Publication number: DE10234856A1
Application number: DE2002134856
Authority: DE
Inventors: Jörn-Steffen LIEBIG; Volker Prof. Dr. Kirchhoff; Klaus Goedicke; Torsten Winkler; Peter Dr. Frach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Beschichten durch Magnetron-Sputtern zum Abscheiden von Schichten aus Legierungen, Gemischen oder Reaktionsprodukten mindestens zweier stofflich unterschiedlicher Materialien durch Magnetron-Sputtern, umfassend mindestens ein Target und eine magnetfelderzeugende Einrichtung, bei der das Target aus mindestens zwei konzentrisch angeordneten Teiltargets (1; 2) zusammengesetzt ist, von denen jedes aus einem der abzuscheidenden Materialien besteht, die Trennlinien zwischen den Teiltargets im Wesentlichen parallel zu den Pollinien der magnetfelderzeugenden Einrichtung verlaufen, die Teiltargets elektrisch verbunden sind und die magnetfelderzeugende Einrichtung den Teiltargets (1; 2) zugeordnete elektromagnetische Spulen (3; 4) enthält und mit Mitteln ausgestattet ist, die eine Veränderung der Lage der magnetischen Polstellen gegenüber den Trennlinien der Teiltargets bewirken können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Beschichten durch Magnetronsputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt, bei dem gleichzeitig verschiedene Beschichtungsmaterialien abgeschieden werden können. Es ermöglicht, Schichten aus Legierungen, Gemischen oder Reaktionsprodukten mindestens zweier stofflich unterschiedlicher Materialien auf Substraten abzuscheiden. Anwendungsfelder solcher durch sogenanntes co-sputtering herstellbarer Schichten sind in zahlreichen Branchen wie Elektronik, Displaytechnik, Werkzeugbeschichtung, Dekorbeschichtung und Optik zu finden.
Die Herstellung von Schichten der angegebenen Art durch co-sputtering ist besonders in den Anwendungsfällen zweckmäßig, in denen sich ein einheitliches Target nicht herstellen lässt, weil die unterschiedlichen Materialien nicht mischbar oder legierbar sind oder sich auf andere Weise nicht oder nur schwer herstellen lässt, weiterhin auch dann, wenn das Verhältnis der Anteile beider unterschiedlicher Materialien in der Schicht häufig geändert oder schrittweise optimiert werden soll.
Es ist bekannt, Schichten der genannten Art durch gleichzeitiges Sputtern mehrerer unterschiedlicher Materialien mittels getrennter Magnetronquellen herzustellen ( DE 40 10 495 A1 ). Jede der Magnetronquellen besitzt ein Target aus einem der abzuscheidenden Materialien. Die Schichtzusammensetzung wird durch Abstimmung der Zerstäubungsraten der Materialien, d. h. durch das Verhältnis der elektrischen Leistung, die in jede Magnetronquelle eingespeist wird, bestimmt. Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung der Schicht kann ein Winkel zwischen den sputternden Targets so eingestellt werden, dass am Substrat jede der Magnetronquellen eine etwa gleiche lokale Schichtdickenverteilung bewirkt. Nachteilig an diesen Einrichtungen mit mehreren getrennten Magnetronquellen sind der hohe Platzbedarf und die nichtebene geometrische Anordnung bzw. für ebene parallele Anordnungen die resultierenden erheblichen lokalen Inhomogenitäten der Schichtzusammensetzung bei der Beschichtung größerer Substratflächen.
Diese Nachteile können teilweise dadurch überwunden werden, dass Magnetronquellen mit zwei oder mehr konzentrischen Teiltargets eingesetzt werden, von denen jedes aus einem der unterschiedlichen Materialien besteht. Die Teiltargets sind elektrisch getrennt ansteuerbar, und die Schichtzusammensetzung wird durch das Verhältnis der Leistungsdichte auf den Teiltargets bestimmt. Solche als Mehrring-Magnetronquellen bezeichneten Einrichtungen sind für das Beschichten bewegter Substrate aus DD 252 205 A1 und für das stationäre Beschichten von Substraten aus DE 195 06 513 A1 bekannt. Auch diese Einrichtungen erfordern einen vergleichsweise hohen technischen Aufwand und führen aufgrund des unvermeidbaren engen Spaltes zwischen den auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegenden Teiltargets zu elektrischen Überschlägen bzw. kurzen Wartungsintervallen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zum Cosputtern anzugeben, die bei geringem Platzbedarf eine hohe Schichdickengleichmäßigkeit und Schichthomogenität und einen stabilen Langzeitbetrieb ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit Merkmalen gemäß Anspruch 1 mit den Bezeichnungen gemäß 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Anspruch 2 beschrieben. Für hohe Ansprüche an die Gleichmäßigkeit der Schichtzusammensetzung stellt eine Einrichtung gemäß Anspruch 3 eine zweckmäßige Lösung dar. In allen Fällen kann die Beschichtung mit nur einer Magnetron-Sputterquelle erfolgen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst eine Magnetronquelle mit mindestens zwei konzentrisch angeordneten Teiltargets, die aus unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien bestehen und elektrisch verbunden sind. Eine weiterhin enthaltene magnetfelderzeugende Einrichtung umfasst elektromagnetische Spulen, die den einzelnen Teiltargets zugeordnet sind und die zumindest zur Ausbildung des magnetischen Tunnels über den Teiltargets beitragen. Die Spulenströme sind separat einstellbar. Die magnetfelderzeugende Einrichtung kann weitere magnetfelderzeugende Teilkomponenten enthalten. Die Geometrie der Teiltargets und der magnetfelderzeugenden Einrichtung ist so aufeinander abgestimmt, dass die Trennlinien zwischen den Teiltargets im Wesentlichen parallel zu den Pollinien verlaufen. Die magnetfelderzeugende Einrichtung ist so ausgelegt, dass die Lage der Polstellen bezüglich der Lage der Trennlinien verändert werden kann. Das kann beispielsweise durch eine Veränderung der einzustellenden Spulenströme oder durch eine Lageänderung magnetfelderzeugender Teilkomponenten erfolgen. Eine Veränderung der Lage der Polstellen führt gemäß der Erfindung zu einer Veränderung der magnetischen Feldstärke über den einzelnen Teiltargets und damit zu einer Veränderung der Abtragungsgeschwindigkeit. Auf diese Weise ist das Verhältnis der Abtragungsgeschwindigkeiten zwischen den einzelnen Teiltargets und damit der Anteil der einzelnen Materialkomponenten in den abgeschiedenen Schichten einstellbar. Die Erfindung ist auch geeignet, bei einem voreingestellten Verhältnis der Abtragungsgeschwindigkeiten eine Feineinstellung des Verhältnisses vorzunehmen. Eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der abzuscheidenden Schichten lässt sich erreichen, wenn die Flächennormalen der sputternden Oberflächen der Teiltargets nicht zueinander parallel verlaufen, sondern einen Neigungswinkel a einschließen (mit 0° < a < 90°), also die Teiltargets mit einander zugewandten Targetflächen gegeneinander geneigt sind.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen 1 und 1a einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Cosputtern mit zwei unterschiedlichen Materialien.
Kunststoffsubstrate sollen im in line-Verfahren mit einer hochbrechenden Ti₃SiO₈-Schicht von 50 nm Dicke beschichtet werden. Dazu wird ein Magnetron mit zwei konzentrischen Teiltargets verwendet. Das innere Teiltarget besteht aus einer Ti-Platte der Abmessungen 800 × 140 × 12 mm³, das äußere Teiltarget besteht aus 60 mm breiten und 12 mm dicken Si-Kacheln, die um die Ti-Platte herum angeordnet sind. Die Magnetronquelle verfügt über zwei konzentrische Spulen, die je ein tunnelförmiges Magnetfeld über dem inneren bzw. äußeren Teiltarget erzeugen können. Die innere Spule verfügt über 1050, die äußere Spule über 630 Windungen. Die Magnetronquelle ist an eine unipolare Puls-Stromversorgung angeschlossen, die mit einer Frequenz von 50 kHz einen Strom von 8 A bei einer Spannung von 550 V einspeist. In der Prozessumgebung ist eine separate Anode angebracht, die vor direkter Beschichtung geschützt ist. Die Magnetfeldspulen der beiden Teiltargets werden so angesteuert, dass ein Rateverhältnis TiO₂ : SiO₂ von 3 : 1 entsteht. Die Innenspule wird dazu mit einem Strom von 2,5 A gespeist, was zu einem Magnetfeld oberhalb des Titantargets von 22 kA/m führt. Die äußere Spule wird mit einem Strom von 3 A versorgt. Dies führt zu einem Magnetfeld der Stärke 24 kA/m oberhalb der Silizium-Kacheln. Bei einer Länge der Beschichtungszone von 400 mm, einer Transportgeschwindigkeit von 0,8 m/min und einer Abscheiderate von 40 nm*m/min ergibt sich eine Beschichtungszeit von 30 s. Das Sauerstoffangebot im Prozessraum wird durch einen optischen Monitor geregelt.
Gemäß 1 besteht die Einrichtung aus dem inneren Teiltarget 1, dem äußeren Teiltarget 2, der elektromagnetischen Spule für das innere Teiltarget 3 bzw. für das äußere Teiltarget 4, sowie einem magnetischen Joch 5, und einer Kathodenabschirmung 6. In 1 sind ebenfalls die magnetischen Feldlinien oberhalb der Teiltargets für den Fall dargestellt, wenn die Ströme der beiden Spulen so eingestellt werden, dass sich der Magnettunnel überwiegend über dem inneren Teiltarget befindet.
1a zeigt eine identische Einrichtung. Die Darstellung der magnetischen Feldlinien oberhalb der Teiltargets verdeutlicht den Fall, dass die Ströme der beiden Spulen so eingestellt werden, dass sich der Magnettunnel überwiegend über dem äußeren Teiltarget befindet.

Claims

Einrichtung zum Beschichten durch Magnetron-Sputtern zum Abscheiden von Schichten aus Legierungen, Gemischen oder Reaktionsprodukten mindestens zweier stofflich unterschiedlicher Materialien durch Magnetron-Sputtern, umfassend mindestens ein Target und eine magnetfelderzeugende Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Target aus mindestens zwei konzentrisch angeordneten Teiltargets (1; 2) zusammengesetzt ist, von denen jedes aus einem der abzuscheidenden Materialien besteht, dass die Trennlinien zwischen den Teiltargets im Wesentlichen parallel zu den Pollinien der magnetfelderzeugenden Einrichtung verlaufen, dass die Teiltargets elektrisch verbunden sind und dass die magnetfelderzeugende Einrichtung den Teiltargets (1; 2) zugeordnete elektromagnetische Spulen (3; 4) enthält und mit Mitteln ausgestattet ist, die eine Veränderung der Lage der magnetischen Polstellen gegenüber den Trennlinien der Teiltargets bewirken können.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Lageveränderung der magnetischen Polstellen Mittel zu Einstellung der Spulenströme sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächennormalen der sputternden Oberflächen der Teiltargets einen Neigungswinkel a (mit 0° < a < 90°) zueinander bilden.