DE19521232C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung gleichmäßer Schichtdicken in Kathoden-Zerstäubungsvorrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Abscheidung gleichmäßiger Schichtdicken in Katho­ den-Zerstäubungsvorrichtungen der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 genannten Art.

Aus der DE-OS 40 39 101 A1 ist eine Magnetron-Zerstäu­ bungsvorrichtung der betreffenden Art bekannt, bei der in einer Vakuumkammer ein um eine zentrale Drehachse drehbarer Drehteller angeordnet ist, auf dem exzentrisch mit dem Dreh­ teller fest verbundene Substrathalter angeordnet sind. Die Vorrichtung weist ein oberhalb des Drehtellers und exzen­ trisch zu dessen Drehachse angeordnetes Target und eine Ma­ gneteinrichtung auf, die im Bereich des Targets ein Magnet­ feld erzeugt.

Bei Betrieb der Vorrichtung ist das Target als Kathode geschaltet, und es bildet sich im Bereich des Targets ein Plasma aus, das zu einem Abtrag von Material von dem Target führt, das sich in der Vakuumkammer von dem Target weg aus­ breitet. Der Drehteller wird kontinuierlich um die zentrale Drehachse gedreht, wobei sich der exzentrisch auf dem Dreh­ teller angeordnete Substrathalter mit dem zu beschichtenden Substrat auf einer Kreisbahn an dem Target in dessen Zer­ stäubungsbereich vorbeibewegt. Bei der Vorbeibewegung des Substrats lagert sich von dem Target abgetragenes Material an das Substrat an und bildet eine Beschichtung. Da auf un­ terschiedlichen Radien in bezug zu der Drehachse befindliche Bereiche des Substrats innerhalb unterschiedlicher Winkel­ intervalle [-ϕ_max(ρ), + ρ_max(ρ)] beschichtet werden, ergibt sich bei einer gleichförmigen Plasmaverteilung im Bereich des Targets eine unterschiedliche Beschichtung der auf ver­ schiedenen Radien ρ liegenden Bereiche des Substrats. Um eine gleichmäßige Beschichtung des Substrats zu erzielen, ist die Magneteinrichtung durch eine asymmetrische Anordnung von mehreren Permanentmagneten gebildet, die ein Magnetfeld mit in Radialrichtung des Drehtellers unterschiedlicher Feldstärke erzeugen. Aufgrund dessen bildet sich ein Plasma aus, dessen Dichte in Radialrichtung des Drehtellers nach außen zunimmt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Be­ schichtung erzielt.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht dar­ in, daß die Magneteinrichtung aufgrund der einzelnen asym­ metrisch angeordneten Permanentmagnete aufwendig und damit teuer in der Herstellung ist.

Aus den "Patent Abstracts of Japan" No. 63-206469 (A), ist eine Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung bekannt, die einen um eine horizontale zentrale Drehachse drehbaren Drehteller aufweist, in dem exzentrisch mehrere kreisförmige Ausnehmungen angeordnet sind, deren lichte Weite etwas grö­ ßer ist als die Abmessung von zu beschichtenden Substrat­ scheiben und die mit einer umlaufenden Nut versehen sind. Bei Betrieb sind in den Ausnehmungen Substratscheiben ange­ ordnet, die bei Drehung des Drehtellers in den Nuten der Ausnehmungen abrollen.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht dar­ in, daß sich die die Substrate aufnehmenden Nuten mit Tar­ getmaterial zusetzen, so daß insbesondere nach längerem Be­ trieb der Vorrichtung ein Abrollen der Substrate in den Nu­ ten nicht gewährleistet ist. Dies führt zu einer ungleich­ mäßigen Beschichtung der Substrate. Um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten, ist eine häufige Reinigung der Nuten erforderlich. Dies ist zeit- und kostenaufwendig. Aus der DD 1 41 170 ist ein Substrathalter bekannt, der eine kreisscheibenförmige, um eine zentrale Drehachse dreh­ bare Platte aufweist. Entlang eines Kreises um die zentrale Drehachse sind in Umfangsrichtung der Platte beabstandet Drehachsen von mehreren drehbaren Substrattellern gelagert. Mit den Drehachsen der Substratteller fest verbunden sind Laufräder, die bei Drehung der Platte um die zentrale Dreh­ achse in einem Laufring ablaufen, so daß die Substratteller einerseits in eine kontinuierliche Drehung um die zentrale Drehachse und andererseits in eine kontinuierliche Drehung um ihre eigene Drehachse versetzt werden.

Ein Nachteil dieses Substrathalters besteht darin, daß das durch die Platte, die Laufräder und den Laufring gebil­ dete Planetengetriebe aufwendig und damit teuer in der Her­ stellung ist.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich die Sub­ strathalter in Radialrichtung im wesentlichen innerhalb des Laufringes befinden. Für eine Beschichtung von großen Sub­ straten oder von mehreren kleineren Substraten muß das Pla­ netengetriebe entsprechend große Abmessungen aufweisen, so daß der Aufbau weiter verteuert ist.

Aus den Patent Abstracts of Japan Nr. 3-100171(A) ist eine Vorrichtung der betreffenden Art bekannt, die ein Tar­ get, eine Magneteinrichtung und einen an dem Target in des­ sen Zerstäubungsbereich vorbeibewegbaren, auf einer drehba­ ren Einrichtung angeordneten Substrathalter zur Aufnahme eines Substrates aufweist, wobei der Substrathalter um eine zur Drehachse der Einrichtung parallele Drehachse drehbar ist.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht dar­ in, daß eine gleichmäßige Beschichtung nur bei Substraten erzielbar ist, deren Dicke innerhalb enger, von den kon­ struktiven Gegebenheiten der Vorrichtung abhängiger Grenzen liegt.

Aus den Patent Abstracts of Japan Nr. 4-173967(A) ist eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung bekannt, die ein Target mit einer Magneteinrichtung sowie einen Substrathalter auf­ weist, der während des Beschichtungsprozesses auf das Target zu und von dem Target weg bewegt wird, so daß sich der Ab­ stand zwischen Target und Substrat abwechselnd vergrößert und verringert. Diese Vorrichtung ist aufwendig im Aufbau und damit teuer in der Herstellung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung homogener Schichten in Kathoden-Zerstäubungsvorrichtungen der betref­ fenden Art so auszubilden, daß auf einfache und kostengün­ stige Weise eine gleichmäßige Beschichtung der Substrate erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und Anspruch 3 angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte und zweckmä­ ßige Weiterbildungen sind in den auf die Ansprüche 1 und 3 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ermöglicht beispielsweise beim Einsatz in einer Vakuumbeschichtungsanlage eine gleichmäßige Beschich­ tung von Substraten.

Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung grundsätzlich eine gleichmäßige Beschichtung auch ohne Aperturblenden oder dergleichen mög­ lich ist, ergibt sich durch die Erfindung eine gute Materi­ alausnutzung des Targets und eine hohe Abscheidungsgeschwindigkeit. Dar­ über hinaus entfallen Rüstzeiten für die Reinigung oder den Austausch der Aperturblenden. Insgesamt ermöglicht die Er­ findung bei Einsatz in Vakuum-Beschichtungsanlagen somit eine schnelle und damit wirtschaftliche Beschichtung von Substraten.

Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht eine gleichmäßige Beschichtung von Substraten auch ohne eine rotierende Magneteinrichtung oder ein rotierendes Target, so daß die erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung einfach und kosten­ günstig herstellbar ist.

Bestehende Zerstäubungsvorrichtungen lassen sich in einfacher und kostengünstiger Weise zu einer erfindungsgemä­ ßen Zerstäubungsvorrichtung nachrüsten.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre ist das Target rotationssymmetrisch, beispielsweise als pla­ nare Magnetron-Rundkathode, planare Ringmagnetronkathode, invertiertes Zylindermagnetron, konisches Zylindermagnetron o. ä. ausgebildet.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Kathoden-Zerstäu­ bungsvorrichtung weist die Abscheidungsgeschwindigkeit im zentralen Be­ reich ein lokales Minimum auf, so daß die Abscheidungsgeschwindigkeit in ihrer radialen Abhängigkeit einen etwa M-förmigen Verlauf annimmt. Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Lehre besteht darin, daß das Verhältnis zwischen dem Maximum und dem zentralen lokalen Minimum der Abscheidungsgeschwindigkeit auf etwa 1,2 bis 1,6 eingestellt wird. Dies ist gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der erfindungsgemäßen Lehre durch Einstel­ lung eines geeigneten Abstandes zwischen der Kathode und dem Substrat erreichbar. Die erfindungsgemäße Lehre sieht ferner vor, das Substrat auf einer Kreisbahn unter dem Target hin­ durchzuführen und das Substrat zusätzlich in eine diskrete oder kontinuierliche Eigenrotation zu versetzen. Durch diese Ausbildungen der erfindungsgemäßen Lehre ist eine sehr gleichmäßige Beschichtung über ein Gebiet von der Abmessung des Abstandes der Maxima der Abscheidungsgeschwindigkeiten erzielbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht vor, daß der Substrathalter um eine zentrale Drehachse der als Drehteller ausgebildeten Einrichtung angeordnet ist, wodurch der Sub­ strathalter an dem Target in dessen Zerstäubungsbereich auf einer Kreisbahn um die zentrale Drehachse des Drehtellers vorbeibewegt wird.

Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, daß die Drehachse des Substrathalters auf dem Drehteller auf einem Kreis angeordnet ist, durch den die Senkrechte auf das Zentrum des Targets verläuft.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß der Substrathalter schrittweise drehantreibbar ist. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich eine gleichmäßige Beschichtung der Substrate auch bei einer schrittweisen, also nicht kontinuierlichen Drehung des Substrathalters um seine Drehachse erzielen läßt. Der schrittweise Drehantrieb des Substrathalters ist in besonders einfacher Weise erziel­ bar, so daß auf ein für einen kontinuierlichen Drehantrieb des Substrathalters erforderliches Planetengetriebe oder dergleichen verzichtet werden kann. Der Aufbau der erfin­ dungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung ist damit wesentlich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet.

Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform der Winkel, um den sich der Substrathalter pro Vorbei­ bewegung des Substrathalters an dem Target um sei­ ne Drehachse dreht, vorgebbar.

Vorteilhafterweise beträgt der vorgebbare Winkel gleich oder weniger als 45°C.

Eine Weiterbildung der Ausführungsform, bei der der Substrathalter schrittweise antreibbar ist, sieht vor, daß für den schrittweisen Drehantrieb des Substrathalters ein Schrittwerkgetriebe vorgesehen ist. Das Schrittwerkgetriebe ist einfach und robust im Aufbau.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß mehrere Substrathalter vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform sind in einem Arbeitsgang mehrere Substrate beschichtbar; beispielsweise sind in einer Vakuum­ beschichtungsanlage dann mehrere Substrate beschichtbar, ohne das Vakuum zu brechen.

Zweckmäßigerweise sind die Substrathalter mit in Um­ fangsrichtung des Drehtellers gleichem Abstand zueinander angeordnet.

Eine Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Drehtel­ ler sieht vor, daß dieser kontinuierlich drehantreibbar ist. Ein kontinuierlicher Drehantrieb des Drehtellers ist bei­ spielsweise über ein einfaches Getriebe realisierbar.

Zweckmäßigerweise weist die Magneteinrichtung wenig­ stens einen Permanentmagneten und/oder wenigstens einen Elektromagneten auf.

Anhand der beigefügten Zeichnung, die ein Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung dar­ stellt, soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert wer­ den.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kathoden-Zer­ stäubungsvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf den bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Drehtel­ ler,

Fig. 3 ein Abscheidungsgeschwindigkeits-Profil bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 4 ein mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Substrat erzeugtes Schichtdickenprofil.

Gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Zeichnung zeigt in der Fig. 1 schematisch eine Ka­ thodenzerstäubungsvorrichtung 2 mit einem Gehäuse 4, in dem ein Drehteller 6 drehbar (siehe Pfeil 8) um eine zentrale Drehachse 10 angeordnet ist und durch einen Motor 12 konti­ nuierlich antreibbar ist.

Auf dem Drehteller 6 sind exzentrisch mehrere Substrat­ halter 14 angeordnet. Die Substrathalter sind jeweils um eine eigene Drehachse 16 (vgl. Fig. 2) drehbar (siehe Pfeil 18). In der Fig. 2, die eine Draufsicht auf den Drehteller 6 zeigt, ist dies nur für einen Substrathalter dargestellt.

Oberhalb des Drehtellers 6 bzw. des Substrathalters 14 befinden sich ein oder mehrere Magnetron-Kathoden 19, die jeweils eine Kathode 20 mit Target 22 und einen Permanentma­ gneten 24 aufweisen. Die Substrathalter auf dem Drehteller 6 sind als Anoden geschaltet.

Im Raum zwischen Kathode 20 und den Substrathaltern 14 bildet sich ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld aus, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, und ent­ steht bei Betrieb ein Plasma 26, dessen Ionen auf das Target treffen und dieses zerstäuben. Das abgestäubte Targetmateri­ al schlagt sich auf dem Substrat der Substrathalter 14 nie­ der.

Die Magneteinrichtung erzeugt ein Magnetfeld, dessen zum elektrischen Feld senkrechte Komponente der Feldstärke im zentralen Bereich des Targets ein Minimum und im äußeren Bereich des Targets ein Maximum aufweist, so daß sich auf­ grund des sich ausbildenden Plasmaringes 26 (Fig. 3) ein Abscheidungsgeschwindigkeit-Profil in der Substratebene ergibt, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist.

Bei Betrieb der Vorrichtung wird der Drehteller 6 kon­ tinuierlich drehangetrieben, so daß sich die Substrathalter 14, auf denen nicht dargestellte Substrate angeordnet sind, auf einer Kreisbahn um die zentrale Drehachse 10 des Dreh­ tellers 6 an dem Target 22 vorbeibewegen. Zusätzlich wird jeder Substrathalter 14 um seine Drehachse 16 schrittweise drehangetrieben, wobei gemäß Fig. 2 pro Vorbeibewegung des Substrathalters 14 an dem Target eine Drehung um die Dreh­ achse 16 des Substrathalters 14 um einen Winkel von etwa 30° erfolgt.

Die schrittweise Eigenrotation der Substrathalter 14 kann auf einfache Weise dadurch bewirkt werden, daß ein in den Bereich des Substrathalters 14 ragender Arm 28 vorgese­ hen ist, der bei jeder Umdrehung des Drehtellers ein am Sub­ strathalter fest angebrachtes Bauteil 30, beispielsweise ein Mitnehmerstab, so lange mitnimmt, bis dieses Bauteil aus dem Wirkbereich des Armes herausbewegt wird.

Auf diese Weise ergibt sich eine gleichmäßige Beschich­ tung der Substrate, wie dies das in Fig. 5 dargestellte Be­ schichtungsprofil zeigt. Es ist ersichtlich, daß sich eine gleichmäßige Beschichtung insbesondere in einem Bereich des Substrathalters bzw. Substrates ergibt, der in Radialrich­ tung des Targets zwischen den Bereichen maximaler Abscheidungs­ geschwindigkeit liegt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Abscheidung gleichmäßiger Schichtdicken in Kathoden-Zerstäubungsvorrichtungen, bei dem das Substrat kreisförmig an einer ortsfesten Kathode vorbeibewegt wird und bei dem eine rotationssymmetrische mit Abscheidungsgeschwindigkeit einem zentralen lokalen Minimum erzeugt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat in eine kontinuierliche oder diskrete Eigenrotation versetzt wird und das Verhältnis zwi­ schen dem Maximum und dem zentralen, lokalen Minimum der Abscheidungsgeschwindigkeit auf Werte zwischen 1,2 und 1,6 einge­ stellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum/Minimum-Verhältnis durch Wahl eines geeigneten Abstandes zwischen der Kathode und der Substratebene einge­ stellt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Kathoden-Zerstäubungsvorrichtung, die ein Target, eine Magneteinrichtung und einen an dem Target in dessen Zerstäubungsbereich vorbeibewegbaren, auf einer dreh­ baren Einrichtung angeordneten Substrathalter zur Aufnahme eines Substrates aufweist, der Substrathalter um eine zur Drehachse der Einrichtung parallele Drehachse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter (14) in sei­ nem Abstand zum Target (22) voreinstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (22) rotationssymmetrisch, vorzugsweise als pla­ nare Magnetron-Rundkathode, planare Ringmagnetron-Kathode, invertierte Zylindermagnetron-Kathode, konische Zylinder­ magnetron-Kathode oder ähnlich ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Substrathalters (14) zum Target (22) so ein­ stellbar ist, daß das Verhältnis zwischen dem Maximum und dem zentralen, lokalen Minimum der Abscheidungsgeschwindigkeit 1,2 bis 1,6 beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Einstellung der Prozeßparameter, wie Leistung, Arbeitsgasdruck, Substrat-Bias, Target-Textur sowie Stärke und Form des Magnetfeldes zwecks Einstellung des Verhältnis­ ses zwischen Maximum und dem zentralen, lokalen Minimum der Abscheidungsgeschwindigkeit vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) ein Drehteller ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (16) des Substrathalters (14) auf dem Drehteller (6) auf einem Kreis angeordnet ist, durch den die Senkrechte auf das Zentrum des Targets (22) verläuft.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter (14) schrittweise oder kontinuierlich drehantreibbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, um den sich der Substrathalter (14) pro Vorbei­ bewegung des Substrathalters (14) an dem Target (22) um sei­ ne Drehachse (16) dreht, vorgebbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgebbare Winkel gleich oder weniger als 45° be­ trägt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den schrittweisen Drehantrieb des Substrathalters ein Schrittwerkgetriebe vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Substrathalter (14) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrathalter (14) mit in Umfangs­ richtung des Drehtellers (6) gleichem Abstand zueinander angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (6) kontinuierlich dreh­ antreibbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung (24) wenigstens einen Elektromagneten und/oder Permanentmagneten aufweist.