DE4412541B4

DE4412541B4 - Gaseinlassanlage und -verfahren

Info

Publication number: DE4412541B4
Application number: DE4412541A
Authority: DE
Inventors: Eduard Kügler; Jakob Stock; Helmut Rudigier
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2014-04-13
Also published as: JPH0790572A; GB2277327B; GB2277327A; DE4412541A1; FR2705690A1; FR2705690B1; CH687258A5; JP3706157B2; GB9407818D0; US5622606A

Abstract

Anlage zum Behandeln von Substraten in einem Vakuumrezipienten mittels Sputtern oder chemischer Beschichtungsverfahren oder mittels Ätzverfahren, mit mindestens einem Target, das eine Fläche mit zu zerstäubendem oder zu verdampfendem Material aufweist, umfassend mindestens eine Gaseinlassanordnung mit mehreren Gasaustrittsöffnungen (6) für den Einlass eines Arbeits- und/oder eines an der Behandlung reaktiv teilnehmenden Gases oder eines Gemisches in den Rezipienten, die über ein Leitungssystem mit mindestens einer Gasquelle (1) mit gegebenem Gasdruck verbunden sind und die Widerstandsbeiwerte der Austrittsöffnungen (6) bezüglich der Stellen im Leitungssystem mit dem gegebenen Gasdruck so bemessen sind, dass an jeder Öffnung ein gesteuerter Gasfluss austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (6) in Bezug auf das mindestens eine Target (22) und/oder eine Materialquelle nach einem vorgegebenen Verteilungsprofil ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Substraten in einem Vakuumrezipienten, wie insbesondere mittels Sputtern oder chemischer Beschichtungsverfahren oder mittels Ätzverfahren, gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1, eine Kathodenzerstäubungsanlage mit einem als Magnetron betriebenen Target gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 12 sowie ein Verfahren zum gleichmäßigen Behandeln von Substraten gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 23.
Beim Behandeln von Substraten, wie insbesondere beim Beschichten beispielsweise im Hochvakuum, kann es von größter Wichtigkeit sein, dass die Behandlung bzw. die Beschichtung verteilt über die gesamte Oberfläche gleichmäßig bzw. homogen erfolgt. Insbesondere in Fällen, wo mittels Arbeitsgasen oder Reaktivgasen gearbeitet wird, hat es sich gezeigt, dass das Gaseinlasssystem eine empfindliche Komponente darstellt in Bezug auf den vorab geschilderten Sachverhalt.
Im Besonderen in der Ätz- und Beschichtungstechnik unter Verwendung von sogenannten Plasmen, wie beispielsweise bei Kathodenzerstäubung in einem Rezipienten, ergeben sich bei nicht homogenen Gaspartialdrücken der Arbeits- bzw. Reaktivgase inhomogene Oberflächen bzw. Schichtverteilung auf einem zu behandelnden Substrat in Bezug auf Schichtdicke, Schichteigenschaften, wie Brechungsindex, Extinktionskoeffizient, Schichtspannung, Zusammensetzung etc.
Zur Lösung dieser Problematik sind diverse Ansätze bekannt. Zum einen wird vorgeschlagen, mittels sogenannter Getterflächen und Blenden einerseits unterschiedliche Partialdrücke auszugleichen und andererseits ein sogenanntes „Vergiften” des Targets durch das am Substrat für ein reaktives Abscheiden benötigte Gas zu verhindern.
So wird in der EP 0 347 567 A1 die Verwendung einer Blende mit Zwischenraum zwischen Target und Substrat vorgeschlagen, wobei die Gase in diesen Zwischenraum zugeführt werden.
In S. Maniv et al., J. Vac. Sci. Technol. 18 (2), 195, 1981, wird vorgeschlagen, zwischen Target und Substrat eine Abschirmung mit Durchlass anzuordnen und ein Reaktivgas durch ein Leitungssystem zuzuführen, welches diese Durchlassöffnung umgibt, wobei die Austrittsöffnungen dieses Leitungssystems gegen das Substrat hin gerichtet sind.
In Schiller et al., Thin Solid Films, 64, 455, 1979, sind im Bereich des Targets sogenannte Getteroberflächen vorgesehen, um ein „Vergiften” der Targetoberfläche mit dem Reaktivgas, welches nahe zur Substratoberfläche zugeführt wird, zu verhindern. Diese Getteroberflächen absorbieren das Reaktivgas, wie beispielsweise Sauerstoff. Nahe der Targetoberfläche wird zudem ein inertes Arbeitsgas zugeführt, um das Reaktivgas vom Target fernzuhalten.
Weiter vorgeschlagen wird, dass eine Gaseinlassanordnung ein Puffervolumen besitzt, an welchem mehrere Austrittsöffnungen vorgesehen sind, wobei das Puffervolumen wesentlich größer ausgebildet ist als durch die Gaseinlassanordnung bewirkte Amplituden von Fördervolumenpulsationen. In der Regel sind derartige Puffervolumen längs ausgedehnte Pufferkammern mit in Längsrichtung weitgehendst gleich voneinander beabstandeten Austrittsöffnungen. Das Problem bei derartigen Pufferkammern, auch Rohrgasduschen genannt, besteht darin, dass es kaum möglich ist, den Gasdurchlass an allen Austrittsöffnungen zu steuern, da dieser stark von der Strömungsart in der Pufferkammer abhängig ist. Wohl ist es möglich, in derartigen Pufferkammern, Blenden oder andere Strömungswiderstände anzuordnen, jedoch ist die Berechnung derartiger Konstruktionen äußerst kompliziert. Derartige Gaseinlassanordnungen sind aus der DE 44 01 156 A1 , DE 43 11 360 A1 , DE 31 29 327 C2 und JP 58-030 125 A bekannt.
Auch in der DE 33 31 707 A1 werden spezielle Maßnahmen beschrieben, die auf eine Entkoppelung der Einwirkung des Reaktivgases auf das Target bzw. das Substrat abzielen.
Schlussendlich wird in der US 4 931 158 A sogar eine zweite Entladung (Hilfsplasma) in Substratnähe vorgeschlagen. Wiederum wird ein Arbeitsgas nahe zum Target eingeführt und ein Reaktivgas nahe dem Substrat. Mittels eines Gitters werden die beiden Plasmen voneinander getrennt.
Nachteilig bei all diesen Maßnahmen ist, dass die Beschichtungsraten relativ niedrig sind und zudem nach wie vor die Gefahr besteht von örtlich ungleichen Gaszusammensetzungen oder örtlich ungleichen Gasflusses, womit die eingangs geforderte Homogenität beispielsweise einer Beschichtung nach wie vor nicht gewährleistet ist. Auch können durch unterschiedliche Gaszusammensetzungen bzw. unterschiedliche Gaspartialdrücke kleine Bogenentladungen am Target auftreten.
Eine Gaseinlassanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der DE 35 27 259 A1 offenbart, wobei die Lehre auf eine gleichmäßige Gasverteilung am Substrat während eines Verdampfungsprozesses gerichtet ist. Eine gleichmäßige Gasverteilung am Target in einem Zerstäubungsprozess wird dagegen nicht gelehrt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine reproduzierbare, homogene Gasverteilung entlang eines Targets zu gewährleisten, um einerseits die gewünschte Homogenität bei der Behandlung eines Substrates zu gewährleisten und andererseits eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit des Behandlungsprozesses.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mittels einer Anlage gemäß dem Wortlaut wie insbesondere nach Anspruch 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird, dass zum Behandeln von Substraten in einem Rezipienten, wie insbesondere mittels physikalischer oder chemischer Beschichtungsverfahren oder mittels Ätzverfahren mit mindestens einem Target, das eine Fläche aufweist mit zu zerstäubendem bzw. zu verdampfendem Material, eine Gaseinlassanordnung mit mehreren Gasaustrittsöffnungen, für den Einlass eines Arbeits- und/oder eines an der Behandlung reaktiv teilnehmenden Gases in den Rezipienten vorzusehen ist, welche Öffnungen über ein Leitungssystem mit mindestens einer Gasquelle mit gegebenem Gasdruck verbunden sind. Dabei ist es wesentlich, dass die Widerstandsbeiwerte der Austrittsöffnungen bezüglich der Stellen im Leitungssystem mit dem gegebenen Gasdruck so bemessen sind, dass an jeder Austrittsöffnung ein gesteuerter Gasfluss in den Rezipienten austritt.
Aufgrund dieses steuerbaren Gasflusses an jeder Stelle des Leitungssystems ist es möglich, auf die Gasverteilung im Rezipienten Einfluss zu nehmen und diese, wie gefordert, möglichst homogen auszubilden.
Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird es möglich, ein Reaktivgas präzise dosiert und/oder verteilt am Target einzuführen, und zwar unmittelbar am Target, während im Gegensatz dazu im Stand der Technik gelehrt wird, die Reaktivgase vom Target fernzuhalten.
Die Austrittsöffnungen der Gaseinlassanordnung in Bezug auf mindestens ein Target bzw. eine Materialquelle und optional auch ein oder mehrere Substrate sind gleichmäßig verteilt angeordnet. Damit wird verhindert, dass örtlich eine erhöhte Konzentration des zugeführten Gases bewirkt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn das Leistungssystem dergestalt ausgelegt ist bzw. die Widerstandsbeiwerte der einzelnen Austrittsöffnungen wenigstens nahezu gleich sind, so dass durch jede Austrittsöffnung pro Zeiteinheit wenigstens nahezu dieselbe Menge Gas in den Rezipienten austritt. Auch diese Maßnahme führt letztlich dazu, dass im Rezipienten, sei dies nahe am Target oder nahe bei einem oder mehreren Substraten, eine weitgehendst gleichmäßige Gasverteilung gewährleistet ist.
Damit die einzelnen Widerstandsbeiwerte der jeweiligen Austrittsöffnungen wenigstens nahezu gleich sind, wird gemäss einer Ausführungsvariante vorgeschlagen dass die einzelnen Weglängen von der Gasquelle zu den Austrittsöffnungen im wesentlichen gleich lang sind und die Querschnittsflächen der einzelnen Austrittsöffnungen im wesentlichen gleich gross ausgebildet sind. Um diese Forderung zu erfüllen, ist es beispielsweise möglich, dass von der Gasquelle zu jeder Gasaustrittsöffnung eine getrennte Transportleitung angeordnet ist mit im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleicher Weglänge.
Es ist aber auch möglich, dass die Verbindung von der Gasquelle zu den Gasaustrittsöffnungen analog dem System eines sogenannten binären Baumes ausgebildet ist, indem von der Gasquelle bzw. von jeder Verzweigung im Leitungssystem gleich beabstandet zwei nachgeschaltete bzw. nachfolgende Verzweigungen gespiesen werden, welche ihrerseits gegebenenfalls je zwei nachgeschaltete Verzweigungen bzw. gegebenenfalls Austrittsöffnungen speisen.
Grundsätzlich lehrt die Erfindung, dass der Gaseinlass in einen Vakuumrezipienten entweder über die Länge der Zuleitung oder über den Querschnitt der Auslassöffnung oder mittels beider Massnahmen einstellbar bzw. reproduzierbar einstellbar ist.
Falls mehrere Gase in den Rezipienten einzuführen sind, wie beispielsweise einerseits nahe dem Target und anderseits nahe einem oder mehreren Substraten, ist es vorteilhaft, pro einzuleitendes Arbeits- oder Reaktivgas eine Gaseinlassanordnung in bezug auf das Target und das oder die Substrate anzuordnen, wobei die jeweiligen Gaseinlassanordnungen, wie vorab beschrieben, erfindungsgemäss ausgebildet sind.
Die vorab erfindungsgemäss definierte Vorrichtung bzw. Gaseinlassanordnung eignet sich insbesondere für eine Anlage zum Zerstäuben oder Verdampfen mit mindestens einem Target, welches eine Fläche mit zu verdampfendem bzw. zu zerstäubendem Material aufweist.
Als beispielsweise ausgebildete Anlage sei eine Kathodenzerstäubungsanlage erwähnt mit einem als Magnetron betriebenen Target und einer das Magnetron bzw. die Kathode wenigstens teilweise umgebenden bzw. einfassenden Gaseinlassanordnung, wobei vorzugsweise die Austrittsöffnungen weitgehendst gleichmässig in bezug auf das Magnetron verteilt angeordnet sind. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsvariante einer derartigen Kathodenzerstäubungsanlage wird vorgeschlagen, dass die Gaseinlassanordnung in einem die Kathode umgebenden Anodenrahmen des Magnetrons integriert angeordnet ist und somit selbst Teil der Anode ist. Dadurch kann die Entladung gezielt auf die Austrittsöffnungen gezogen werden, um eine effiziente Anregung des Reaktivgases zu erhalten.
Gemäss einer weiteren Ausführungsvariante ist es möglich, die Gaseinlassanordnung elektrisch isoliert zu betreiben oder auch zur Bildung eines weiteren Entladungskreises auf Spannung bzw. auf Masse zu legen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Kathodenzerstäubungsanlage wird das Magnetron durch das Target, einen Anodenrahmen und die im Anodenrahmen integriert angeordneten Gasaustrittsöffnungen gebildet, wobei der Anodenrahmen vorzugsweise wassergekühlt ist und gegebenenfalls so weit über den Targetrand hineingezogen ausgebildet ist, damit die Austrittsöffnungen auf den Erosionsgraben des Targets gerichtet sind, wobei vorzugsweise der Dunkelfeldabstand überall gleich ausgebildet ist.
Zusätzlich zur Gaseinlassanordnung, integriert angeordnet in einem Anodenrahmen, ist es selbstverständlich möglich, weitere Gaseinlassanordnungen vorzusehen, welche beispielsweise vorgesehen sind für das Einführen eines Reaktivgases im Bereich des oder der zu behandelnden bzw. zu beschichtenden Substrate. Dabei muss aber die Gaseinlassanordnung nicht zwingend im Anodenrahmen integriert angeordnet sein, sondern sie kann auch unabhängig vom Anodenrahmen in irgend einem Rahmen integriert angeordnet sein.
Schlussendlich wird ein Verfahren zum gleichmässigen Behandeln von Substraten in einem Rezipienten, wie insbesondere mittels physikalischer oder chemischer Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise Sputterverfahren oder mittels Aetzverfahren, vorgeschlagen, wobei über eine Gaseinlassanordnung mit mehreren Austrittsöffnungen von mindestens einer Gasquelle mit gegebenem Gasdruck mindestens ein Arbeits- und/oder ein an der Behandlung reaktiv teilnehmendes Gas in den Rezipienten eingeführt wird, wobei an jeder Austrittsöffnung der austretende Gasfluss gesteuert erfolgt, indem die Widerstandsbeiwerte der einzelnen Austrittsöffnungen bezüglich der Stellen im Leitungssystem mit dem gegebenen Gasdruck entsprechend dem geforderten Gasfluss bemessen sind, wobei die Austrittsöffnungen in Bezug auf das mindestens eine Target und/oder eine Materialquelle nach einem vorgegebenen Verteilungsprofil ausgebildet werden. Vorzugsweise wird an jeder Austrittsöffnung pro Zeiteinheit die gleiche Menge Gas in den Rezipienten eingeführt.
Die vorab beschriebenen erfindungsgemäßen Anlagen sowie Verfahren sind selbstverständlich nicht auf die beispielsweise angeführte Kathodenzerstäubungsanlage mit einem Magnetron beschränkt, sondern sind bei beliebigen Behandlungs- bzw. Beschichtungsanlagen und -vorrichtungen verwendbar, wo eine gleichmässige Behandlung bzw. Beschichtung eines Substrates gefordert wird. Dabei ist es unerheblich, ob im Rezipienten bei normalem Arbeitsdruck, reduziertem Druck, wie Hochvakuum oder Ultrahochvakuum, gearbeitet wird. Auch eignen sich die erfindungsgemäss definierten Gaseinlassanordnungen und das entsprechende Verfahren für das Einführen irgendwelcher Arbeits- oder Reaktivgase in einen Rezipienten.
Die Erfindung wird nun beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Gaseinlassanordnung gemäss dem Stand der Technik, umfassend eine sogenannte Pufferkammer bzw. Gasrohrdusche;
2 eine erfindungsgemässe Gaseinlassanordnung, ausgebildet als sogenannter binärer Baum;
3 eine weitere Ausführungsvariante einer Gaseinlassanordnung;
4 eine Kathodenzerstäubungsanlage mit einem Magnetron und einer Gaseinlassanordnung, wie beispielsweise dargestellt in 2;
5 im Querschnitt das Target und einen Anodenrahmen einer Kathodenzerstäubungsanlage, analog derjenigen schematisch dargestellt in 4; und
6 eine ausschnittsweise Detailskizze einer bevorzugten Ausführungsvariante eines Anodenrahmens mit einer Gasaustrittsöffnung, wie beispielsweise zu verwenden in der Anordnung gemäss 5.
In 1 ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine Gaseinlassanordnung dargestellt, in welcher, den einzelnen Austrittsöffnungen 6 vorgeschaltet, eine Pufferkammer 10 angeordnet ist. Entlang dieser Pufferkammer 10 sind einzelne Austrittsöffnungen, längs ausgedehnt und vorzugsweise gleich voneinander beabstandet, angeordnet. Je grösser die Querschnittsfläche 11 der Pufferkammer 10 gewählt wird, um so eher ist gewährleistet, dass der Widerstandsbeiwert der einzelnen Austrittsöffnungen 6 gleich ist bzw. dass die einzelnen Austrittsöffnungen von gleichen Gasmengen durchflossen werden. Allerdings hat es sich in der Praxis gezeigt, dass für das Austreten gleicher Gasmengen verhältnismässig grosse Querschnitte von derartigen Pufferkammern bzw. Gasrohrduschen gewählt werden müssen. Zudem ist das Funktionieren einer derartigen Gasrohrdusche stark von der gewählten totalen Gasdurchflussmenge und von der Strömungsart abhängig, so dass bei einer gewählten Durchflussmenge sehr wohl eine gleichmässige Verteilung erreicht werden kann, während dann bei anderen totalen Durchflussmengen die Verteilung nicht mehr uniform ist. Wohl wäre es möglich, in der Pufferkammer zusätzlich Umlenkblenden oder Widerstandselemente anzuordnen, doch ist die Berechnung derartiger Konstruktionen sehr kompliziert, und auch dann ist nicht gewährleistet, dass in der ganzen Pufferkammer die Strömungsart immer gleichartig ist.
Aus diesem Grunde werden erfindungsgemäss einfachere Alternativen vorgeschlagen, wie sie in den nachfolgend beschriebenen Figuren dargestellt sind.
In 2 ist eine Gaseinlassanordnung für das Einführen eines Arbeits- oder Reaktivgases in einen Rezipienten schematisch dargestellt. Von einer Gasquelle 1 führt eine Leitung zu einer ersten Verzweigung 2. Von dieser Verzweigung gleich beabstandet, werden über zwei gleich dimensionierte Leitungen zweite Verzweigungen 3 gespiesen. Von diesen Verzweigungen 3 werden erneut über gleich lange und gleich dimensionierte Leitungen je weitere dritte Verzweigungen 4 gespiesen. Schlussendlich werden von weiteren vierten Verzweigungen 5 jeweils je zwei Austrittsöffnungen 6 gespiesen. Durch diese Konstruktion des Gaseinlasssystemes ist gewährleistet, dass jede Austrittsöffnung 6 denselben Widerstandsbeiwert besitzt und somit durch jede Austrittsöffnung 6 pro Zeiteinheit die gleiche Gasmenge in den Rezipienten ausgegeben wird. Selbstverständlich ist es möglich, Verzweigungen in weiteren Ebenen auszubilden, wobei die Verzweigungen bzw. die Anzahl der Austrittsöffnungen aufgrund der Grösse des Targets bzw. des Substrates zu wählen ist, an welches das einzuführende Gas abzugeben ist.
Durch die in 2 dargestellte Gaseinlassanordnung ist es möglich, verteilt über ein Substrat oder ein Target eine homogene Gasverteilung zu erreichen, wodurch sich beispielsweise eine homogene Reaktionsrate einstellt. Damit lassen sich die Aufgaben gemäss geforderten homogenen Schichteigenschaften, wie vorab erwähnt, über einen gewünschten Bereich oder über das ganze zu behandelnde bzw. zu beschichtende Substrat erzielen.
Eine weitere Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Einlassanordnung ist schematisch in 3 dargestellt. Von einer Gasquelle 1 werden über gleich lange und gleich dimensionierte Transportleitungen 8 die jeweiligen endständig angeordneten Gasaustrittsöffnungen 6 gespiesen. Diese Gasaustrittsöffnungen 6 sind dabei weitgehendst gleich dimensioniert, d. h. ihre Querschnittsfläche der Austrittsöffnung ist gleich dimensioniert. Durch diese Ausgestaltung des Gaseinlasssystems ist wiederum gewährleistet, dass die Widerstandsbeiwerte der einzelnen Gasaustrittsöffnungen gleich sind und somit pro Zeiteinheit die gleiche Gasmenge in den Rezipienten ausgegeben wird.
In den Darstellungen gemäss 2 und 3 ergeben sich in jedem Falle gleich lange Leitungen, wobei bei gleich gewähltem Durchmesser der Austrittsöffnung auch der Gasfluss in jeder Austrittsöffnung gleich ist. Durch Variieren des Durchmessers bzw. der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung ist es nun aber bei gleich langen Zuführleitungen mit gleichem Leitungsquerschnitt möglich, gezielt in jeder Austrittsöffnung den Gasfluss reproduzierbar zu steuern. Analog ist es umgekehrt möglich, bei gleich grossen Austrittsöffnungen den Gasfluss wiederum reproduzierbar zu steuern, indem die Länge oder der Querschnitt der Zuführleitungen variiert wird. Ein derartig gezieltes reproduzierbares Einstellen des Gasflusses ist beispielsweise mit einer Gasrohrdusche, wie in 1 dargestellt, kaum möglich.
In 4 ist nun schematisch eine Gaseinlassanordnung, wie beispielsweise in 2 dargestellt, in bezug auf ein Target bzw. auf ein Magnetron einer Kathodenzerstäubungsanlage angeordnet dargestellt. Beidseits der Längsausdehnung eines Magnetrons, um fassend ein Target 22 und einen das Target allseitig umgebenden, beispielsweise wassergekühlten Anodenrahmen 28, sind Gasaustrittsöffnungen 6 gegen das Target 22 hin gerichtet angeordnet. Diese Gasaustrittsöffnungen 6 werden von einem Leitungssystem gespiesen, beginnend von einer Gasquelle 1, welche ihrerseits Verzweigungen 2 speist, welche nachfolgend wiederum Verzweigungen 3 bzw. 4 speisen. Dabei wird aus 5 deutlich erkennbar, dass das Leitungssystem analog 1 entsprechend einem binären Baum aufgebaut ist, indem von der Gasquelle 1 bzw. den Verzweigungen 2, 3 und 4 jeweils weitere Verzweigungen oder die Gasaustrittsöffnungen 6 gespiesen werden, welche je gleich beabstandet von der entsprechenden Verzweigung angeordnet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass von der Gasquelle 1 zu jeder Gasaustrittsöffnung 6 dieselbe Weglänge im Leitungssystem zurückgelegt werden muss. Der Vorteil ist, dass in dieser Anordnung die Wirksamkeit des oder der eingeführten Gase unabhängig von der Strömungsart bzw. dem Strömungsbereich immer gleich ist.
Vorausgesetzt, dass der Leitungsquerschnitt überall gleich ist und auch der Öffnungsquerschnitt bei jeder Austrittsöffnung 6 gleich gross ist, sind somit wiederum die Widerstandsbeiwerte sämtlicher Austrittsöffnungen 6 gleich, womit an jeder Gasaustrittsöffnung pro Zeiteinheit unabhängig von der Strömungsart dieselbe Gasmenge gegenüber dem Target 22 ausgegeben wird. Beim auszugebenden Gas kann es sich entweder um ein Arbeitsgas, wie ein inertes Edelgas, wie beispielsweise Argon, handeln, oder um ein Reaktivgas, wie beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, oder aber um ein Gasgemisch, beispielsweise bestehend aus einem inerten Edelgas (Ar) und Sauerstoff (O₂). Das Reaktivgas reagiert mit dem zu verdampfenden bzw. zu zerstäubenden Metall, wobei entsprechende Nitride bzw. Oxide hergestellt werden können zur Erzeugung von Nitrid- oder Oxidschichten auf einem Substrat. Dabei kann die Nitrid- bzw. Oxidbildung bereits auf der Targetoberfläche erfolgen oder nach dem Verdampfen des Metalls. Vorzugsweise sind die einzelnen Gasaustrittsöffnungen 6 voneinander gleich beabstandet angeordnet, um eine gleichmässige Gasverteilung über dem Target zu erzeugen.
Analog der Gaseinlassanordnung, dargestellt in 4, kann selbstverständlich auch eine Gaseinlassanordnung gegenüber einem Substrat angeordnet werden, in dem das System im Sinne eines binären Baumes aufgebaut ist.
In 5 ist im Querschnitt ein Target sowie der das Target umgebende Anodenrahmen eines Magnetrons dargestellt, beispielsweise entsprechend einem Schnitt entlang der Linien I-I in 4. Zur Erläuterung der Anordnung gemäss 5 wird auf 6 verwiesen, wo im Querschnitt ausschnittsweise eine Detailskizze eines Teils des Anodenrahmens dargestellt ist, wie er in der Anordnung gemäss 5 verwendet worden ist. Der Ausschnitt zeigt dabei die Stelle des Anodenrahmens, wo ein Gasrohr bzw. eine Austrittsöffnung 6 angeordnet ist.
Der Anodenrahmen 28 eines Magnetrons ist seitlich zum Target 22 angeordnet, welches Target 22 auf einer Targetkühlplatte 21 aufliegend angeordnet ist, welche wiederum auf einer Wasserkühlung mit Magnetsystem 20 aufliegend angeordnet ist. Es handelt sich somit bei der dargestellten Anordnung um ein sogenanntes Magnetron, wie es beispielsweise bei Kathodenzerstäubungsanlagen verwendet wird. Das Target 22 wird schlussendlich seitlich mittels eines sogenannten Targetklemmringes 23 auf der Targetkühlplatte 21 gehalten. Target 22, Kühlplatte 21, Magnetsystem 20 und der Targetklemmring 23 bilden dabei zusammen die Kathode 24 des dargestellten Magnetrons.
Die seitlich zur Kathode 24 angeordnete Anode umfasst einerseits den Anodenrahmen 28, durch welchen hindurch sich ein Gasrohr 29 erstreckt, frontseitig umfassend die Gasaustrittsöffnung 6. Zur Kühlung des Anodenrahmens 28 ist eine Wasserkühlung 27 vorgesehen, welche Kühlung insbesondere wichtig ist, falls die Entladung auf die Gasaustrittsöffnung gezogen werden soll, um so eine effiziente Anregung des Reaktivgases zu bewirken. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn das Gasrohr selbst Teil der Anode ist bzw. wenn der Gasaustritt gegenüber der Anode nicht isoliert ist. Ein derartig integrales Anordnen des Gasaustritts in der Anode hat positive Auswirkungen sowohl auf Schichtqualität als auch auf die Beschichtungsrate. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Gasaustrittsöffnungen auf den Erosionsgraben des Targets hin gerichtet sind, der in 6 schematisch durch die Vertiefung 32 in der Oberfläche des Targets 22 dargestellt ist.
Der Anodenrahmen 28 liegt auf einer Anodengrundplatte 26 auf, mit welcher Grundplatte der Rahmen beispielsweise über Schrauben fest verbunden ist, wodurch der Anodenrahmen leicht demontiert werden kann. Die Grundplatte 26 ist ihrerseits auf einer Anodenbasisplatte 25 angeordnet. Anodenbasisplatte 25, Grundplatte 26 sowie der Anodenrahmen 28 können selbstverständlich auch aus einem Stück hergestellt sein.
In der in 6 dargestellten Detailskizze ist die Anodengrundplatte 26 über den Targetklemmring 23 bis über den Targetrand hineingezogen, um so Ueberschläge, die in den Randzonen des Targets entstehen, wirksam zu unterdrücken. Denkbar ist es selbstverständlich, dass die Anodengrundplatte 26 noch weiter über das Target hineingezogen wird. Wesentlich ist dabei, dass der Dunkelfeldabstand 30 überall gleich ist, damit das oberhalb des Targets gebildete Plasma wirksam abgeschirmt ist. Natürlich kann man diese Abschirmung des Plasmas auf viele Arten bewerkstelligen, jedoch hat sich die in 6 beispielsweise dargestellte Ausführung als vorteilhaft erwiesen.
Bei den in den 4 bis 6 dargestellten Anwendungen einer erfindungsgemässen Gaseinlassanordnung handelt es sich nur um ein Ausführungsbeispiel, um die Erfindung näher zu erläutern. So ist es beispielsweise auch möglich, Gaseinlassleitungen unabhängig vom Anodenrahmen anzuordnen, d. h. isoliert vom Anodenrahmen in irgendeinem Rahmen, umgebend das Target. Im weiteren kann die Gaseinlassanordnung auf Masse geschaltet betrieben werden oder aber auf separate Spannung geschaltet.
Selbstverständlich ist es möglich, die verschiedenen beschriebenen und beanspruchten Ausführungsvarianten von Gaseinlassanordnungen in allen möglichen Arten von Behandlungs- bzw. Beschichtungsanlagen zu verwenden, wo ein Substrat in einem Rezipienten an seiner Oberfläche zu behandeln ist. Zu denken sind dabei insbesondere an alle möglichen Ausführungsvarianten von Anlagen, wie sie für die Durchführung von PVD- und CVD-Prozessen verwendet werden.
Aber auch die Ausgestaltung der erfindungsgemäss definierten Gaseinlassanordnungen selbst ist nicht auf die Beispiele in den 2 und 3 beschränkt, sondern umfasst sämtliche Gaseinlasssysteme bei derartigen Anlagen, wo der Gaseinlass gesteuert erfolgt bzw. wo mittels gezielten Gaseinlasses eine vorzugsweise gleichmässige Gasverteilung bewirkt werden kann.

Claims

Anlage zum Behandeln von Substraten in einem Vakuumrezipienten mittels Sputtern oder chemischer Beschichtungsverfahren oder mittels Ätzverfahren, mit mindestens einem Target, das eine Fläche mit zu zerstäubendem oder zu verdampfendem Material aufweist, umfassend mindestens eine Gaseinlassanordnung mit mehreren Gasaustrittsöffnungen (6) für den Einlass eines Arbeits- und/oder eines an der Behandlung reaktiv teilnehmenden Gases oder eines Gemisches in den Rezipienten, die über ein Leitungssystem mit mindestens einer Gasquelle (1) mit gegebenem Gasdruck verbunden sind und die Widerstandsbeiwerte der Austrittsöffnungen (6) bezüglich der Stellen im Leitungssystem mit dem gegebenen Gasdruck so bemessen sind, dass an jeder Öffnung ein gesteuerter Gasfluss austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (6) in Bezug auf das mindestens eine Target (22) und/oder eine Materialquelle nach einem vorgegebenen Verteilungsprofil ausgebildet sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (6) zusätzlich in Bezug auf ein oder mehrere Substrate nach einem vorgegebenen Verteilungsprofil ausgebildet sind.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (6) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassanordnung dergestalt ausgelegt ist, dass die Widerstandsbeiwerte der einzelnen Austrittsöffnungen vorgegebene Werte aufweisen, so dass durch jede Austrittsöffnung unabhängig vom Strömungsbereich oder der Strömungsart pro Zeiteinheit die vorgegebene Menge austritt.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsbeiwerte der einzelnen Austrittsöffnungen gleich sind.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch jede Austrittsöffnung dieselbe Menge Gas in den Rezipienten austritt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Weglängen von der Gasquelle (1) zu den Austrittsöffnungen (6) gleich sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der Gasquelle zu jeder Gasaustrittsöffnung eine getrennte Transportleitung (8) angeordnet ist, mit gleichem Durchmesser und gleicher Weglänge.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Gasquelle (1) zu den Gasaustrittsöffnungen (6) analog dem System eines sogenannten binären Baumes ausgebildet ist, indem von der Gasquelle (1) oder von jeder Verzweigung (2, 3, 4) im Leitungssystem gleich beabstandet zwei nachgeschaltete oder nachfolgende Verzweigungen (3, 4, 5) gespeist werden.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die nachfolgenden Verzweigengen (3, 4, 5) ihrerseits je zwei nachgeschaltete Verzweigungen (4, 5) oder Austrittsöffnungen (6) speisen.
Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens je eine Gaseinlassanordnung in Bezug auf ein Target und/oder eine Materialquelle und/oder auf das oder die Substrate vorgesehen ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Kathodenzerstäubungsanlage handelt mit einem als Magnetron betriebenen Target und einer das Magnetron oder die Kathode wenigstens teilweise umgebenden oder einfassenden Gaseinlassanordnung.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom aus jeder der Austrittsöffnungen einen vorgegebenen Wert aufweist.
Anlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom gleichmäßig auf das Magnetron einwirkt.
Anlage nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassanordnung in einem die Kathode umgebenden Anodenrahmen des Magnetrons integriert angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassanordnung derart ausgebildet ist, dass eine Entladung gezielt auf die Austrittsöffnungen gezogen wird.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auf-Spannung-Legen der Gaseinlassanordnung, die Öffnungen als Teil einer Elektrode eine Entladungsstrecke bilden.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassanordnung zur Bildung eines zweiten Entladungskreises elektrisch isoliert ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron durch das Target, einen Anodenrahmen und die im Anodenrahmen integriert angeordneten Austrittsöffnungen gebildet wird, wobei der Anodenrahmen so weit über den Targetrand übergreift, um Überschläge in den Randzonen des Targets wirksam zu unterdrücken.
Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen wassergekühlt ist.
Anlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsöffnungen auf den Erosionsgraben des Targets gerichtet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Gaseinlassanordnung in Bezug auf mindestens ein Substrat angeordnet ist.
Verfahren zum gleichmäßigen Behandeln von Substraten mittels Sputtern oder chemischer Beschichtungsverfahren oder mittels Ätzverfahren in einem Vakuumrezipienten mit mindestens einem Target, das eine Fläche mit zu zerstäubendem oder zu verdampfendem Material aufweist, wobei über eine Gaseinlassanordnung mit mehreren Austrittsöffnungen von mindestens einer Gasquelle mit gegebenem Gasdruck mindestens ein Arbeits- und/oder ein an der Behandlung reaktiv teilnehmendes Gas in den Rezipienten eingeführt wird und dass an jeder Austrittsöffnung der austretende Gasfluss gesteuert erfolgt, indem die Widerstandsbeiwerte der Austrittsöffnungen bezüglich der Stellen im Leitungssystem mit dem gegebenen Gasdruck entsprechend dem geforderten Gasfluss bemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (6) in Bezug auf das mindestens eine Target (22) und/oder eine Materialquelle nach einem vorgegebenen Verteilungsprofil ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Austrittsöffnung pro Zeiteinheit die gleiche Menge Gas in den Rezipienten eingeführt wird.