DE19701419A1

DE19701419A1 - Substrathaltereinrichtung

Info

Publication number: DE19701419A1
Application number: DE1997101419
Authority: DE
Inventors: Klaus Wulf; Carsten Dr Michaelsen
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 1998-07-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Substrathaltereinrichtung für die Herstellung von Schichten mittels PVD-Verfahren im Vakuum, umfassend einen Halter zur Aufnahme des Substrats im Vakuumraum.

Mittels der seit langem bekannten verschiedenen PVD- Verfahren können auf Substraten Schichten aus Metall, Metallegierungen, Hartstoffen aber auch aus Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffverbindungen für die verschiedensten Anwendungsfälle hergestellt werden. Beim sogenannten Sputter-Verfahren, das eine bestimmte Art der Gruppe der PVD-Verfahren ist (Physical Vapor Deposition), wird in einer Vakuumkammer bei einem Druck von typisch 10^-3 mbar durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei Platten eine Gasentladung (Plasma) induziert. Dabei entstehen positiv ionisierte Gasatome, die in einem elektrischen Feld auf eine Kathode beschleunigt werden, so daß diese dort nach dem Auftreffen einzelne Atome oder kleine Cluster herausschlagen. Diese breiten sich dann in der Vakuum kammer als eine Art Dampf aus und schlagen sich auf einem Substrat, auf dem die Schicht hergestellt wird, als Schicht aus einem Werkstoff nieder, der die Kathode bildet. Mittels dieses an sich bekannten Sputterverfah rens lassen sich dünne Schichten sehr gut herstellen.

Mit diesem bekannten Sputter-Verfahren hergestellte dünne Schichten, wie sie beispielsweise bei Röntgen spiegeln angewendet werden zeigen, solange es sich bei den zu beschichtenden Substraten um verhältnismäßig einfache geometrische Strukturen handelte, befriedigende Beschichtungsergebnisse, wobei hervorzuheben ist, daß zum Erhalt einer großen Reinheit der Schicht das Sputtern regelmäßig im Bereich des Hochvakuums von bis zu 10^-9 mbar stattfindet.

Es ist aber auch vielfach gewünscht, komplizierte Bauteile bzw. Substrate mit einer dünnen Schicht mittels des Sputter-Verfahrens zu versehen, wobei dieses bisher mit um so geringerem Erfolg erreicht wurde, je kompli zierter das Substrat in bezug auf seine Struktur geformt war. Einer der wesentlichen Gründe dafür ist der, daß es für die schichtbildenden Target-Atome aufgrund der an sich festen Geometrie der das Target bildenden Kathode relativ zu dem auf dem Halter im Vakuumraum für den Beschichtungsvorgang angeordneten Substrat, das sich in seiner Position nicht verändert, zu Abschattungen kommt, d. h. daß die Target-Atome bestimmte Bereiche des Sub strats zur Ausbildung der Schicht besser erreichen und bestimmte Bereiche des Substrats weniger gut oder Überhaupt nicht erreichen. Dieses ist für viele Anwen dungen, bei denen beispielsweise eine gleichmäßig ausgebildete Schicht auch auf komplizierten Strukturen eines zu beschichtenden Substrats unabdingbar ist, unbefriedigend.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Substrathaltereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, auch komplizierte Strukturen von Substraten mit einer Schicht unter Einsatz der PVD-Verfahren, insbesondere des Sputter- Verfahrens, herzustellen, wobei die Substrathalterein richtung derart ausgebildet sein soll, daß sie in Vakuumapparaturen, mit denen PVD-Verfahren ausgeführt werden sollen, Verwendung finden kann und auch bei bestehenden Vakuumapparaturen nachträglich eingesetzt werden kann, wobei die Substrathaltereinrichtung einfach herstellbar und handhabbar sein soll und eine unmittel bare Anpassung an die zu beschichtende Struktur in bezug auf seine Handbarkeit in der Vakuumanlage anpaßbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Halter im Vakuumraum um wenigstens eine Achse drehbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Substrathalterein richtung besteht im wesentlichen darin, daß diese von außen, d. h. von dem Umgebungsraum aus, in dem die Vakuumanlage angeordnet ist, derart handhabbar ist, daß das auf dem Halter zu seiner Beschichtung anbringbare Substrat gedreht werden kann, so daß auch die normal er weise bei festem Halter, bedingt durch die Struktur des Substrats, bisher möglichen abgeschatteten Bereiche nunmehr auch durch entsprechende Drehung des Halters dem Dampf aus Target-Atomen ausgesetzt werden kann.

Die Drehung des Halters um wenigstens eine Achse kann kontinuierlich erfolgen, es ist aber auch möglich, diese Drehung in bestimmten Schritten um bestimmte Winkel in zeitlich vorbestimmbaren Abständen vonstatten gehen zu lassen, wobei es möglich ist, die Art der Drehung auch in Abhängigkeit des Kompliziertheitsgrades oder im allgemeinen in Abhängigkeit von der Struktur des Sub strats schlechthin abhängig zu machen.

Die erfindungsgemäße Substrathaltereinrichtung kann zudem nicht nur im Zuge neu erstellter Vakuumanlagen bzw. Vakuumapparaturen, wie sie typischerweise im Zusammenhang mit PVD-Verfahren benutzt werden, Anwendung finden, sondern auch bei schon bestehenden, im Einsatz befindlichen Vakuumanlagen bzw. Vakuumapparaturen im Wege einer Nachrüstung Verwendung finden.

Bestimmend für eine gleichmäßige homogene Ausbildung einer Schicht sowohl bei Substraten mit verhältnismäßig einfacher geometrischer Struktur als auch bei Substraten mit einer verhältnismäßig komplizierten geometrischen Struktur kann ebenfalls die Temperatur des für den Beschichtungsvorgang auf dem Halter angeordneten Sub strats sein. Ein für den Beschichtungsvorgang bestimmte optimale Temperatur des Substrats hängt von vielen Parametern ab, beispielsweise von der Art des Gases, das den Austritt der Atome oder Cluster aus der Target- Kathode bewirkt, von der Größe der Spannung zur Erzeu gung der Gasentladung bzw. des Plasmas, vom Werkstoff der Target-Kathode sowie von den geometrischen Entfer nungen zwischen der targetbildenden Kathode und dem Halter zur Aufnahme des Substrats und vom Werkstoff des Substrats selbst. Um eine derartige Temperatur zur optimalen Ausbildung einer Schicht auf dem Substrat zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Substrathalterein richtung mittels Temperierungsmitteln, die von außen zu dem sich im Vakuumraum befindlichen Halter zuführbar sind, zu kühlen oder zu erwärmen ist, d. h. diese auf die optimale Temperatur in Abhängigkeit der vorgenannten Parameter einzustellen.

Dabei kann das Temperierungsmittel vorteilhafterweise durch ein flüssiges Medium gebildet werden, das über entsprechende Leitungen zum Halter geführt wird. Das Temperierungsmittel kann sowohl ein Wärmetransportmittel als auch ein Kältetransportmittel sein, wobei hier aus Verständlichkeitsgründen an sich physikalisch unkorrekt von "Wärme" und "Kälte" die Rede ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Substrathaltereinrichtung ist die Temperierung des Halters mittels elektrischer Energie erreichbar, wodurch auch eine Erwärmung des Halters und auch eine Abkühlung des Halters grundsätzlich bewirkbar ist. Um außerhalb des Vakuumraumes, d. h. vom die Vakuumapparatur bzw. die Vakuumkammer umgebenden Umgebungsraumes aus die Tempe ratur des Halters fortlaufend erfassen zu können, ist am Halter wenigstens ein Temperatursensor angeordnet, mit dem die Temperatur erfaßbar ist, wobei der Sensor eine elektrische Größe entsprechend der von ihm erfaßten Temperatur des Halters zu liefern imstande ist.

Sensoren dieser Art können Halbleitersensoren aber auch einfache Heißleiter bzw. in bestimmten Fällen auch einfache Kaltleiter sein, d. h. durch Thermoelemente schlechthin.

Um sicherzustellen, daß eine bestimmte Temperatur für den Beschichtungsvorgang mittels des Sputter-Verfahrens auf dem Halter und somit auf dem auf dem Halter ange ordneten Substrat fortwährend eingehalten wird, ist es vorteilhaft, die Temperatur des Halters in Verbindung mit der vom Sensor erfaßten Größe zu regeln und/oder zu steuern. Denkbar ist es auch, die Temperatur des Halters bzw. des Substrats im Zuge der Ausbildung der Schicht auf dem Substrat zu variieren, um optimale Temperatur bedingungen für die Ausbildung einer Schicht zu ermög lichen.

An sich kann die Substrathaltereinrichtung unter der Maßgabe, daß der Halter, auf dem das Substrat angeordnet ist, um wenigstens eine Achse drehbar ist, beliebig geeignet ausgebildet sein. Vorteilhaft, weil verhält nismäßig einfach und kostengünstig realisierbar ist es, diesen wenigstens teilweise in Form eines rohrförmigen Stabes auszubilden, der an einer Drehdurchführung befestigt teilweise in den Vakuuminnenraum und teilweise in den Umgebungsraum außerhalb des Vakuumraumes hinein ragt, wobei der Halter am Ende des in den Vakuumraum hineinragenden Teiles des Stabes, d. h. regelmäßig an der Stabspitze, angeordnet ist. Der Halter ist somit um die Stabachse, die die Drehachse des Halters bildet, dreh bar.

Wie vorangehend schon angedeutet, ist der Halter bzw. der rohrförmige Stab, an dem der Halter angeordnet ist, entweder kontinuierlich oder schrittweise oder auch diskontinuierlich drehbar, was grundsätzlich auch manuell bewirkbar ist. Vorteilhaft ist es jedoch, den rohrförmigen Stab mittels einer Dreheinrichtung, bei spielsweise eines steuerbaren Elektromotors oder auch eines Elektro-Schrittmotores in Rotation zu versetzen.

Die Rotation kann selbst wieder auf beliebige geeignete Weise abgestimmt werden auf die oben aufgeführten Parameter zur Ausbildung einer optimalen Beschichtung auf dem Substrat.

Vorteilhafterweise ist auf dem sich im Umgebungsraum befindlichen Teil des rohrförmigen Stabes eine Schleif ringeinrichtung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Spannungen auf die am Halter angeordnet Erwär mungs- und/oder Kühleinrichtung sowie des Sensors angeordnet, die mit einer festen Schleifringeinrichtung zusammenwirkt. Somit können unabhängig von der Drehung elektrische Signale und/oder elektrische Spannungen auf den Halter übertragen werden, d. h. für Temperierungs zwecke und Sensorzwecke und ggf. auch noch zur Erfassung anderer Parameter wie der Beschichtungsrate auf dem Substrat und dergleichen.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß mit dem sich im Umgebungsraum befindlichen drehbaren Teil des Stabes eine relativ zum drehbaren Teil feststehende Zufuhr- und Abführeinrichtung für das zur Erwärmungs- und/oder Kühleinrichtung des Halters geführten flüssigen Temperierungsmittels zusammenwirkt. Durch diese Maßnahme ist es vorteilhafterweise möglich, eine kontinuierliche Beaufschlagung des Halters mittels des flüssigen Temperierungsmittels unabhängig von der Rotation bzw. dem Rotationsgrad des rohrförmigen Stabes bzw. des Halters bewirken zu können.

Um einen weiteren Freiheitsgrad der Bewegung des Halters im Vakuumraum zur weiteren Optimierung der Ausbildung der Schicht auf dem Substrat ermöglichen zu können, ist es sehr vorteilhaft, zusätzlich den Halter axial zur Drehachse verschiebbar auszubilden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus führungsbeispieles im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 In der Draufsicht die Substrathaltereinrichtung in teilweisem Schnitt in einer Anordnung, bei der ein Teil des den Halter zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrats haltenden Stabes sich im Vakuumraum befindet und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Darstellung von Fig. 1 unter Weglassung der Dreheinrichtung.

Die Substrathaltereinrichtung 10 für die Herstellung von Schichten mittels PVD-Verfahren im Vakuum, insbesondere mittels des sogenannten Sputter-Verfahrens, umfaßt einen Halter 14, auf dem ein Substrat, auf dem die Schicht auszubilden ist, geeignet lösbar befestigt wird. Der Halter 14 ist an der vorderen Spitze 163, eines rohrförmigen Stabes 16 ausgebildet, der aus im wesent lichen zwei Teilen 160, 161 besteht, wobei das Teil 160 im wesentlichen im Vakuumraum 11 angeordnet ist, wohin gegen das andere Teil 161 außerhalb des Vakuumraumes, d. h. im Umgebungsraum 12, angeordnet ist, in dem Nor maldruck herrscht. Die Trennwand zwischen Vakuumraum 11 und Umgebungsraum 12 wird durch die strichpunktierte Linie 21 symbolisiert, wobei der Vakuumraum 11 in einer typischerweise für PVD-Verfahren benutzten Vakuumkammer bzw. Vakuumapparatur ausgebildet ist.

Da der Aufbau derartiger Vakuumkammern bzw. Vakuumappa raturen, in denen PVD-Verfahren zur Ausbildung von Schichten auf Substraten ausgeführt werden, an sich bekannt ist, wird an dieser Stelle darauf nicht weiter eingegangen.

Der rohrförmige Stab 16 ist durch eine Drehdurchfüh rungseinrichtung 17 hindurchgeführt, die derart ausge staltet ist, daß das Ultrahochvakuum bzw. Hochvakuum im Vakuumraum 11 nicht beeinträchtigt wird. Zur Drehung des rohrförmigen Stabes 16 ist auf dem außerhalb des Vaku umraumes 11 liegenden Teils 161 ein Zahnrad 22 ausge bildet, das über einen Zahnriemen 23 über ein mit einer Antriebsachse einer Dreheinrichtung 18 angetriebenem Zahnrad 24 zusammenwirkt, so daß mittels des Drehan triebes der Dreheinrichtung 18 der Stab 16 in Drehung versetzt werden kann. Die Dreheinrichtung 18 kann beispielsweise ein Elektromotor, der regel- bzw. steu erbar ausgebildet sein kann, gebildet werden oder durch einen ebenfalls steuerbaren Schrittmotor.

Auf dem außerhalb des Vakuumraumes 11 liegenden Teil 161 des Stabes 16 ist eine Schleifringeinrichtung 19 ausge bildet, die mit einer festen Schleifringeinrichtung 190 zusammenwirkt. Die Schleifringeinrichtung 19, 190 dient zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Spannungen auf eine am Halter 14 angeordnete Erwärmungs- und/oder Kühleinrichtung. Gleichzeitig kann über die Schleif ringeinrichtung 19, 190 auch ein hier nicht gesondert dargestellter Sensor oder können mehrere Sensoren mit Spannung versorgt werden bzw. können über die Schleif ringeinrichtungen 19, 190 auch von dem Sensor oder den Sensoren kommende Größen bzw. sonstige elektrische Signale zurückgeführt werden und auf hier nicht geson dert dargestellte Auswerte, Steuer- und Regeleinrich tungen gegeben werden. Schließlich ist im Bereich der Spitze 164 des außerhalb des Vakuumraumes 11 liegenden Teils 161 eine Zufuhr- und Abführeinrichtung 20 vorgesehen, mit der das Temperierungsmittel 13 zur Erwärmungs- und/oder Kühleinrichtung 15 an der Spitze 163 des Stabes 16, d. h. zum dort ausgebildeten Halter 14, geführt werden kann bzw. von diesem weggeführt werden kann.

Der Halter 14 kann auch längs des Pfeiles 25 in beiden Richtungen, d. h. axial zur Achse 162, unter Aufrechter haltung des Hochvakuums bzw. Ultrahochvakuums im Vaku umraum 11 hin und her verschoben werden.

Über im rohrförmigen Stab 16 ausgebildete, von der Zufuhr- und Abführeinrichtung 20 zur Erwärmungs- und Kühleinrichtung 15 am Halter 14 geführte Leitungen 165, 166 kann Temperierungsmittel 13, auf vorbestimmte Weise geeignet temperiert, auf den Halter 14 gegeben werden, so daß dieser eine bestimmungsgemäße Temperatur einnimmt und somit auch das auf dem Halter für die Beschichtung befestigte Substrat (nicht dargestellt). In dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Substrathaltereinrichtung 10 ist das Temperierungsmittel 13 ein flüssiges oder gasförmiges Medium. Es ist aber auch möglich, die Temperatur des Halters 14 auf einer bestimmten Höhe mittels elektrischer Energie einzustel len, d. h. eine Erwärmung oder eine Abkühlung. Es ist auch möglich, die Temperatur des Halters 14 über die Erwärmungs- und Kühleinrichtung 15 mittels elektrischer Energie und mittels flüssiger bzw. gasförmiger Medien einzustellen.

Bezugszeichenliste

10

Substrathaltereinrichtung

11

Vakuumraum

12

Umgebungsraum (außen)

13

Temperierungsmittel

14

Halter

15

Erwärmungs- und Kühlreinrichtung

16

Stab

160

im Vakuum liegendes Teil

161

außerhalb des Vakuums liegendes Teil

162

Achse

163

Spitze

164

Spitze

165

Leitung

166

Leitung

17

Drehdurchführung

18

Dreheinrichtung

19

Schleifeinrichtung

190

Schleifeinrichtung (fest)

20

Zufuhr- und Abfuhreinrichtung

21

Linie

22

Zahnrad

23

Zahnriemen

24

Zahnrad

25

Pfeil

Claims

1. Substrathaltereinrichtung für die Herstellung von Schichten mittels PVD-Verfahren in einem Vakuum, umfas send einen Halter zur Aufnahme des Substrats im Vakuum raum, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (14) im Vakuumraum (11) im wesentlichen um eine Achse (162) drehbar ist.

2. Substrathaltereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mittels Temperierungsmitteln (13), die von außen (12) zu dem sich im Vakuumraum (11) befindlichen Halter (14) zuführbar sind, kühlbar oder erwärmbar ist.

3. Substrathaltereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperierungsmittel (13) durch flüssige Medien gebildet wird.

4. Substrathaltereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erwärmung des Halters (14) mittels elektrischer Energie bewirkbar ist.

5. Substrathaltereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Halters (14) durch wenigstens einen am Halter (14) angeordneten Sensor erfaßbar ist.

6. Substrathaltereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Halters (14) in Verbindung mit der vom Sensor erfaßten Größe regelbar ist.

7. Substrathaltereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen wenigstens teilweise rohrförmigen Stab (16) umfaßt, der an einer Drehdurchführungseinrichtung (17) befestigt teilweise in den Vakuumraum (11) und teilweise in den Umgebungsraum (12) außerhalb des Vakuumraumes (11) hineinragt, wobei der Halter (14) am Ende des in den Vakuumraum (11) hineinreichenden Stabes (16) ange ordnet ist.

8. Substrathaltereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Stab (16) mittels einer Dreheinrichtung (18) in Rotation versetzbar ist.

9. Substrathaltereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem sich im Umgebungsraum (12) befindlichen Teil (161) des rohrförmigen Stabes (16) eine Schleifringeinrichtung (19) zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Spannungen auf die am Halter (14) angeordneten Erwär mungs- und/oder Kühleinrichtungen (15) sowie des Sensors angeordnet ist, die mit einer festen Schleifringein richtung (190) zusammenwirkt.

10. Substrathaltereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem sich im Umgebungsraum (12) befindlichen drehbaren Teil (161) des Stabes (16) eine relativ zum drehbaren Teil (161) feststehenden Zufuhr- und Abfuhreinrichtung (20) für das zur Erwärmungs- und/oder Kühleinrichtung (15) des Halters (14) geführten Temperierungsmittels (13) zusammenwirkt.

11. Substrathaltereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (14) axial (25) zur Drehachse verschiebbar ist.