DE19829281C1 - Hohlzylinder mit verminderter Wärmestrahlung zum Haltern eines Substrats und Verwendung des Hohlzylinders - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Substrathalterung in Form eines Hohlzylinders, der vor allem in Beschichtungsanlagen mit Heizplatte eingesetzt werden kann. Zur Reduzierung vom Temperaturinhomogenitäten im Substrat verfügt der Hohlzylinder über Löcher und Aussparungen. Dadurch verkleinert sich die Oberfläche des Hohlzylinders, die nach außen Wärme abstrahlt.

Description

In herkömmlichen Beschichtungsanlagen zur Beschichtung von Substraten (beispielsweise durch Sputtern) werden Vorrichtun­ gen zum Haltern der Substrate benutzt. Diese Vorrichtungen dienen beispielsweise dem Transport der Substrate in eine Be­ schichtungsanlage. Vor allem aber werden die Substrate mit Hilfe dieser Vorrichtungen beim Beschichten fixiert.

Aus US 4 592 308 geht beispielsweise eine Vorrichtung hervor, bei der ein kreisförmiges Substrat zwischen zwei Hohlzylin­ dern gehaltert wird. Die Hohlzylinder sind eine Substrathal­ terung und ein Halterungsring mit jeweils einem etwa einem Durchmesser des Substrats entsprechenden Innendurchmesser. Nach einem Einlegen des Substrats zwischen Substrathalterung und Halterungsring werden Substrathalterung und Halterungs­ ring in einen reibschlüssigen Kontakt miteinander gebracht. Dies gelingt beispielsweise durch ein Verdrehen des Halte­ rungsrings gegenüber der Substrathalterung um eine gemeinsame Achse, wobei für den reibschlüssigen Kontakt in der Substrat­ halterung und dem Halterungsring entsprechende Nuten und Aus­ sparungen vorgesehen sind. Die Substrathalterung und der Hal­ terungsring sind so gestaltet, daß das Substrat während der Beschichtung lose gehaltert wird. Dadurch wird gewährleistet, daß das Substrat trotz im Vergleich zur Substrathalterung bzw. zum Halterungsring unterschiedlichen thermischen Ausdeh­ nung keiner mechanischen Spannung ausgesetzt ist. Die Sub­ strathalterung und der Halterungsring bestehen beispielsweise aus hochreinem Molybdän.

Ebenso geht aus US 5 589 003 eine Vorrichtung zum Haltern von Substraten hervor. Diese Vorrichtung besteht aus einem runden Zylinder. Über eine gesamte Stirnseite des Zylinders ertreckt sich eine Trägeroberfläche für das Substrat. Die Trägerober­ fläche besteht beispielsweise aus Aluminium.

Unter Umständen muß das Substrat für die Beschichtung bei­ spielsweise in einer Sputteranlage beheizt werden. Dies hängt unter anderem von dem Beschichtungsmaterial ab. Zur Tempera­ turregulierung wird das Substrat, das z. B. in einem Substrat­ haltering fixiert ist, mit Hilfe einer Heizplatte temperiert. Die Wärmeübertragung von der Heizplatte auf das Substrat er­ folgt beispielsweise durch Wärmestrahlung.

Eine homogene Temperatur des Substrats ist unter Umständen für die Qualität der Beschichtung von entscheidender Bedeu­ tung. D. h. während des Beschichtens sollte nach Möglichkeit kein Temperaturgradient im Substrat auftreten.

In erster Näherung hängt die Homogenität der Substrattempera­ tur von der Homogenität der Oberflächentemperatur der Heiz­ platte ab. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß trotz homoge­ ner Oberflächentemperatur keine homogene Substrattemperatur erreicht werden kann. Vermutlich wirkt die Mantelfläche des Substrathalterings als Strahlungsquelle. Auf diesem Weg geht Wärmestrahlung ins Volumen der Sputterkammer verloren. Da­ durch ist im Randbereich des Substrats die Substrattemperatur abgesenkt. Die dabei auftretenden Temperaturdifferenzen sind oft nicht tolerabel.

Dieses Problem wird heute so gelöst, daß aufwendige Heizplat­ ten verwendet werden, die aus mehreren ringförmigen Heizzonen bestehen. Die Heizzonen weisen zum Ausgleich von Temperatur­ differenzen des Substrats unterschiedliche Wärmestrahlungs­ leistungen auf. Dazu müssen diese Heizzonen getrennt ange­ steuert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit verminder­ ter Wärmestrahlung zum Haltern eines Substrats anzugeben.

Diese Aufgabe wird von den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besondere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.

Nach Anspruch 1 wird ein Hohlzylinder zum Haltern eines Sub­ strats angegeben, wobei der Hohlzylinder eine Wandung und die Wandung mindestens eine Einrichtung zur Verminderung der Wär­ mestrahlung nach außen aufweist.

Ein erfindungsgemäßer Hohlzylinder, der als Substrathalterung dient, ist beispielsweise als flacher Zylinder geformt, des­ sen Radius deutlich größer ist, als seine Höhe. Die Grundflä­ che des Zylinders kann dabei kreisrund sein. Andere Formen wie beispielsweise eine ellipsoide, rechteckige oder quadra­ tische Form sind ebenfalls denkbar. Der Hohlzylinder kann über Ränder verfügen. Diese Ränder sind ringförmig um den Zy­ linder in Form von Erhebungen angebracht. Die Wandung des Zy­ linders ist durch die Ränder verdickt. Dadurch entstehen Auf­ lageflächen, die beispielsweise für die Halterung oder den Transport des Hohlzylinders mit Hilfe eines Manipulators nö­ tig sind. Die Ränder können aber auch nur der Stabilisierung der Substrathalterung dienen.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung liegt darin, die Strahlungsleistung einer Substrathalterung nach außen zu mi­ nimieren. Dies wird in erster Linie dadurch erreicht, daß die Fläche der Substrathalterung minimiert wird, von der aus Wär­ me in das Volumen einer Sputterkammer abgestrahlt wird.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Substrathalterung Löcher in der Wandung auf. Die Form der Löcher ist vorzugs­ weise kreisrund. Die Löcher können aber auch anders gestaltet sein (z. B. oval, eckig). Durch diese Maßnahme wird die Ober­ fläche des Hohlzylinders verringert, die Wärme in das Volumen z. B. einer Sputterkammer abstrahlt. Dafür sind insbesondere kleine Löcher geeignet. Je kleiner ein Loch ist, desto gerin­ ger ist die Wahrscheinlichkeit dafür, daß über die Innenflä­ che des Lochs Wärmeabstrahlung in das Volumen erfolgt. Bei einer gegebenen Verkleinerung der Oberfläche des Zylinders ist es also günstiger, viele kleine Löcher über die Oberflä­ che zu verteilen als wenige große.

Um im Substrat eine möglichst homogene Temperatur zu erzie­ len, sind die Löcher gleichmäßig über die Substrathalterung verteilt. Diese Verteilung betrifft beispielsweise die Anord­ nung der Löcher in Ebenen, die sich parallel zu einem gehal­ terten, flächigen Substrat befinden. Die Löcher in der Wan­ dung sind insbesondere regelmäßig mit definierten Abständen zueinander angeordnet. Sie können aber auch statistisch über die Wandung des Hohlzylinders verteilt sein. Die Zahl der Lö­ cher, deren Gestalt und Größe sind dabei so bemessen, daß die Wärmeabstrahlung des Hohlzylinders möglichst klein ist und gleichzeitig eine ausreichende Stabilität des Hohlzylinders gewährleistet ist.

Eine Verringerung der abstrahlenden Oberfläche einer Substrathalterung gelingt insbesondere auch dadurch, daß die Einrichtung zur Verminderung der Wärmestrahlung eine Vertie­ fung ist. Vertiefungen kommen insbesondere für die oben be­ schriebenen Ränder eines Hohlzylinders in Frage.

Die Vertiefungen durchziehen einen Rand vorzugsweise vertikal zur Höhe des Hohlzylinders. Durch diese Vertiefungen wird die Dicke der Wandung und damit die nach oben und unten Wärme ab­ strahlende Fläche des Rands vermindert. Die Form der Vertie­ fungen kann beispielsweise rechteckig sein. Die Vertiefungen sind wie die Löcher der Wandung vorzugsweise gleichmäßig ver­ teilt.

Am besten ist es, wenn die Auflagefläche der Ränder auf ein Minimum reduziert ist. Die Ränder sollten horizontal zum Hohlzylinder möglichst dünn gestalten sein. Die Vertiefungen können dabei solche Ausmaße annehmen, daß nur mehr wenige von einander getrennte Erhebungen übrig bleiben. Diese Erhebungen übernehmen die Funktion der Ränder. Sie bieten die Auflage­ flächen, die für den Transport und/oder die Halterung des Hohlzylinders nötig sind. Mit einer geeigneten Vorrichtung für die Halterung des Hohlzylinders können eine sichere Hal­ terung und ein sicherer Transport realisiert werden.

Die Vertiefungen sind nicht nur auf die Ränder beschränkt, sondern können den ganzen Hohlzylinder durchziehen. Die An­ zahl, Form und Größe der Vertiefungen muß genauso wie bei den Löchern im Hinblick auf eine möglichst effektive Verkleine­ rung der ins Volumen abstrahlenden Oberfläche gestaltet wer­ den. Dies muß allerdings unter Berücksichtigung der Stabili­ tät des Hohlzylinders erfolgen.

Die Strahlungsleistung von Wärme ins Volumen läßt sich nicht nur durch strukturelle Maßnahmen beeinflussen. Das Material, aus dem der Hohlzylinder besteht und die Beschaffenheit der Oberfläche des Hohlzylinders spielen auch eine wichtige Rol­ le. Vorzugsweise besteht der Hohlzylinder aus einem Edel­ stahl. Zudem ist zur Verminderung der Strahlungsleistung nach außen die Oberfläche des Hohlzylinders poliert, die nach au­ ßen gerichtet ist.

Mit Hilfe der vorgenommenen Maßnahmen erhält man einen Hohlzylinder mit verminderter Wärmestrahlung nach außen. Der erfindungsgemäße Hohlzylinder, der zum Haltern eines Substrats gedacht ist, kann insbesondere in einer Vorrichtung zur Beschichtung des Substrats verwendet werden. Vor allem solche Beschichtungsverfahren kommen in Betracht, bei denen eine exakte und homogene Temperierung des Substrats notwendig ist. Durch Verkleinerung der abstrahlenden Flächen erreicht ein größerer Wärmestrom den Randbereich des Substrats, die Substrattemperatur steigt an und die Temperaturdifferenzen zwischen Rand- und Innenbereich des Substrats werden gerin­ ger.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figu­ ren wird im folgenden ein erfindungsgemäßer Hohlzylinder vor­ gestellt. Die Figuren stellen keine maßstabsgetreuen Abbil­ dungen der bezeichneten Gegenstände dar.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hohlzylinder in Seiten­ ansicht.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Hohlzylinder in Auf­ sicht.

Fig. 3 zeigt eine besondere Ausgestaltung eines erfindungs­ gemäßen Hohlzylinders in Aufsicht.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt die Anordnung eines Hohlzylin­ ders mit Substrat in einer Sputteranlage.

Gegenstand ist ein kreisförmiger, flacher Hohlzylinder 1 mit einer Wandung 3. Im Innenraum 7 des Hohlzylinders kann ein Substrat 2 angeordnet werden. Das Substrat 2 kommt dabei auf einem Vorsprung 8 zum liegen, wobei nur ein minimaler Rand des Substrats auf dem Vorsprung des Hohlzylinders aufliegt (siehe Fig. 4). Der Innendurchmesser d_i des Hohlzylinders ist beispielsweise so bemessen, daß ein Substrat mit einem Durchmesser von ca. 152 mm gehaltert werden kann.

Der Hohlzylinder besteht vorzugsweise aus Edelstahl. Die Oberfläche 10, von der aus Wärmestrahlung nach außen gelangt ist vorzugsweise poliert. Andere Metalle bzw. Metallegierun­ gen sind ebenfalls denkbar. Die Wandung 3 des Hohlzylinders hat beispielsweise eine Dicke von 1 mm. Der Hohlzylinder ver­ fügt über zwei Ränder 91 und 92, die ringförmig um den Hohlzylinder angeordnet sind. Inklusive dieser Ränder beträgt die Dicke der Wandung an diesen Stellen des Hohlzylinder bei­ spielsweise 3 bis 4 mm. Um möglichst kleine Auflageflächen 12 zu erhalten, sind geringe Dicken der Wandung besonders vor­ teilhaft.

Der Erfindungsgemäße Hohlzylinder verfügt über eine Einrich­ tung 4 zur Verminderung der Wärmestrahlung 5 nach außen. Ins­ besondere verfügt der Zylinder 1 über Löcher 41. Diese Löcher sind regelmäßig über die Wandung 3 des Hohlzylinders 1 ver­ teilt. Die Durchmesser der Löcher betragen beispielsweise 2 bis 8 mm, wobei kleinen Löchern der Vorzug vor großen Löchern zu geben ist.

Daneben verfügt der Hohlzylinder über Vertiefungen 42. Diese Vertiefungen müssen nicht wie im vorliegenden Fall auf die Ränder 91 und/oder 91 beschränkt sein. Sie können auch die gesamte äußere Oberfläche 10 der Wandung durchdringen.

Fig. 3 zeigt eine besondere Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Hohlzylinders in Aufsicht. Die Vertiefungen 42 nehmen dabei so große Ausmaße an, daß nur mehr sechs Erhebungen 11 übrig bleiben. Diese Erhebungen reichen aus, um den Hohlzy­ linder für einen Transport oder für die Beschichtung des Substrats sicher zu haltern.

Der erfindungsgemäße Hohlzylinder wird beispielsweise in ei­ ner Sputteranlage zur Beschichtung von Substraten eingesetzt. In Fig. 4 ist schematisch die Anordnung eines Hohlzylinders 1 mit Substrat 2 in einer Sputteranlage gezeigt. Die Substrathalterung wird samt Substrat beispielsweise mit Hilfe eines Manipulators aus einer Schleusenkammer in eine Be­ schichtungskammer der Sputteranlage befördert. Die Substrat­ halterung kommt auf einer Substrathalteplatte 16 zu liegen. Über der zylindrischen Substrathalterung 1 befindet sich eine Heizplatte 13, die über Strahlung 14 das Substrat 2 in der Substrathalterung beheizt. Auf der zur Heizplatte 13 gegen­ überliegenden Seite befindet sich das Beschichtungsmaterial 15, das auf dem Substrat aufgetragen wird. Als Substrat kommt beispielsweise ein Silizium-Wafer in Frage. Das Beschich­ tungsmaterial sind beispielsweise keramische Ausgangsmateria­ lien, wie Blei- oder Zirkonoxid.

Mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Hohlzylinders gelingt es, einen einfachen Aufbau der Sputteranlage zu realisieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren kann hier auf eine auf­ wendige Heizplatte mit mehreren Heizelementen verzichtet wer­ den. Dadurch sind weniger Vakuumdurchführungen als bisher nö­ tig. Dieser Vorteil kommt vor allem bei Beschichtungsanlage zum Tragen, die mit sich drehenden Substrathalterungen ausge­ stattet sind.

Claims (8)

1. Hohlzylinder (1) zum Haltern eines Substrats (2), wobei der Hohlzylinder

• 1. eine Wandung (3) und
• 2. die Wandung mindestens eine Einrichtung (4) zur Verminde­ rung der Wärmestrahlung (5) nach außen aufweist.

2. Hohlzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung ein Loch (41) ist.

3. Hohlzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung eine Vertiefung (42) ist.

4. Hohlzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einrichtungen gleichmäßig über die Wandung (3) verteilt sind.

5. Hohlzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder kreisförmig ist.

6. Hohlzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder Edelstahl auf­ weist.

7. Hohlzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder eine polierte Oberfläche (10) aufweist.

8. Verwendung eines Hohlzylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Vorrichtung zur Beschichtung des Substrats.