MagnetronsputterquelleMagnetron sputter source
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetronsputterquelle gemass Anspruch 1 bzw. 31, eine Vakuumkammer mit einer solchen Quelle nach Anspruch 20, eine Vakuumbehandlungsanlage mit einer solchen Kammer, nach Anspruch 22, weiter ein Betriebsverfahren für eine solche Anlage nach Anspruch 27 sowie Verwendungen davon.The present invention relates to a magnetron sputtering source according to claims 1 and 31, a vacuum chamber with such a source according to claim 20, a vacuum treatment system with such a chamber, according to claim 22, an operating method for such a system according to claim 27 and uses thereof.
Grundsätzlich geht die vorliegende Erfindung vom Bedürfnis aus, grossflächige, insbesondere rechteckige Substrate mit einer zu beschichtenden Fläche von mindestens 900 cm2 mit homogenerBasically, the present invention is based on the need for large-area, in particular rectangular, substrates with an area to be coated of at least 900 cm 2 with a homogeneous one
Schichtdickenverteilung sputterzubeschichten, dabei insbesondere auch reaktiv. Derartige Substrate werden insbesondere für die Herstellung von Flachbildschirmen, in der Regel auf dünnen Glassubstraten, dünner als 1 mm, basierend, eingesetzt, so ins- besondere für TFT-Pannels oder für Plasma Display Panneis (PDP) .Sputter coating layer thickness distribution, in particular also reactive. Such substrates are used in particular for the production of flat screens, generally based on thin glass substrates, thinner than 1 mm, in particular for TFT panels or for plasma display panels (PDP).
Beim Magnetron-Sputterbeschichten grosser Flächen sind üblicherweise noch grössere Sputterflachen und damit Targets nötig, es sei denn, Sputterquelle und Substrat werden relativ zueinan- der bewegt. Dabei treten Probleme auf bezüglichWhen magnetron sputter coating large areas, even larger sputter areas and therefore targets are usually required, unless the sputter source and substrate are moved relatively to each other. Problems arise regarding this
(a) Gleichförmigkeit der Prozessbedingungen am grossflächigen Target, ganz ausgeprägt bei reaktivem Sputterbeschichten(a) Uniformity of the process conditions on the large-area target, quite pronounced with reactive sputter coating
(b) Erosionsprof il(b) Erosion profile
( c ) Kühlung
(d) Belastung im wesentlichen durch Atmosphären-Druck und Kühlmitteldruck der grossen Targets .(c) cooling (d) Essentially exposure to atmospheric pressure and coolant pressure of the large targets.
Um das mechanische Belastungsproblem (d) zu lösen, müssen relativ dicke Targetplatten eingesetzt werden, was den Magnetfeld- Durchgriff reduziert und damit den Elektronenfallen-Effekt bei gegebener eingespiesener elektrischer Leistung. Wird aber diese erhöht, so ergeben sich Kühlprobleme (c) . Dies vor allem, weil grossflächige Targets nur mit grossem Aufwand gut mit einem Kühlmedium kontaktiert werden können, auch weil dem Target rückseitige Einbauten für Magnete hinderlich entgegenstehen. Weiter ist es bekannt, dass beim Magnetronsputtern, reaktiv oder nicht reaktiv, die Targetanordnung, üblicherweise bestehend aus einer die Sputterflache definierenden Targetplatte aus zu sputterndem Material und einer daran angebondeten Träger- platte, entlang sogenannten "race tracks" sputtererodiert wird. An der Sputterflache entstehen ein oder mehrere umlaufende Erosionsgraben, bedingt durch die angelegten, am Target tunnelformig entlang gegebener Bahnen erzeugten Magnetfelder, die umlaufende Zonen erhöhter Plasmadichte erzeugen. Diese ergeben sich aufgrund der hohen Elektronendichte im Bereich der tunnelformig umlaufenden Magnetron-Magnetfelder (Elektronenfallen) . Durch diese "race tracks" ergibt sich bereits an relativ kleinflächigen, vor der Magnetronsputterquelle angeordneten, zu beschichtenden Substraten eine inhomogene Schichtdickenverteilung. Zu- dem wird das Targetmaterial schlecht ausgenützt, denn die Sput- tererosion entlang den "race tracks" lässt Targetbereiche au- sserhalb dieser tracks weniger abgesputtert , was ein wellen- bzw. grabenförmiges Erosionsprofil ergibt. Aufgrund der "race tracks" bleibt die tatsächlich sputternde Fläche auch eines grossflächigen Targets gegenüber der Substratfläche klein.
Wohl könnte man, zur Eliminierung der Auswirkungen der erwähnten "race tracks" an der Beschichtung, Sputterquelle und zu beschichtendes Substrat wie erwähnt relativ zueinander bewegen, was aber zu einer pro Zeiteinheit reduzierten Beschichtungsrate führte. Wiederum stünden dem Betrieb mit örtlich höherer Sput- terleistung bei relativ bewegten Systemen Kühlprobleme entgegen.To solve the mechanical load problem (d), relatively thick target plates must be used, which reduces the magnetic field penetration and thus the electron trap effect for a given electrical power. However, if this is increased, cooling problems arise (c). This is mainly because large-area targets can only be contacted with a cooling medium with great effort, and also because the target is obstructed by rear installations for magnets. Furthermore, it is known that in magnetron sputtering, reactive or non-reactive, the target arrangement, usually consisting of a target plate of material to be sputtered defining the sputtering surface and a carrier plate bonded to it, is sputter eroded along so-called "race tracks". One or more circumferential erosion trenches are formed on the sputtering surface, due to the magnetic fields created along the target in the form of tunnels, which create circumferential zones of increased plasma density. These result from the high electron density in the area of the magnetron magnetic fields (electron traps) rotating around the tunnel. These "race tracks" already result in an inhomogeneous layer thickness distribution on relatively small-area substrates to be coated, which are arranged in front of the magnetron sputter source. In addition, the target material is poorly used because the sputter erosion along the "race tracks" means that target areas outside these tracks are sputtered less, which results in a wave-like or trench-shaped erosion profile. Due to the "race tracks", the actual sputtering area of a large-area target remains small compared to the substrate area. To eliminate the effects of the "race tracks" mentioned on the coating, the sputtering source and the substrate to be coated could be moved relative to one another as mentioned, but this led to a reduced coating rate per unit of time. Again, operation with locally higher sputtering performance would be opposed to cooling problems with relatively moving systems.
Grundsätzlich bestehen somit für das angestrebte Ziel die vier Problemkreise (a) , (b) und (c) , (d) , deren separate Lösungen jeweils verschärfte Probleme bezüglich der anderen nach sich ziehen; die Lösungen laufen sich zuwider.Basically, there are four problem areas (a), (b) and (c), (d) for the desired goal, the separate solutions of which each result in aggravated problems with respect to the other; the solutions run counter to each other.
Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Magne- tronsputterquelle zu schaffen, mittels welcher die obgenannten Probleme behoben werden und die sich praktisch zu beliebiger Grosse ausbauen lässt und die ermöglicht, insbesondere eine homogene Beschichtungsdicken-Verteilung an mindestens einem bezüglich Quelle stationären, grossflächigen Substrat wirtschaftlich sicherzustellen. Die Quelle soll weiter, bei hoher Gleichförmigkeit der Prozessbedingungen, darauf empfindliche reaktive Prozesse bei hohen Abscheidungs- bzw. Beschichtungsraten zulassen. Inhomogene "race tracks" -Auswirkungen führen bei reaktiven Prozessen wegen der grossen Plasmadichte-Gradienten wie bekannt zu ausgeprägten Problemen.The aim of the present invention is to create a magnet sputter source by means of which the abovementioned problems are eliminated and which can be expanded practically to any size and which enables, in particular, a homogeneous coating thickness distribution on at least one large-area substrate which is stationary with respect to the source to ensure economically. The source should further allow sensitive reactive processes at high deposition or coating rates if the process conditions are very uniform. As is known, inhomogeneous "race tracks" effects lead to pronounced problems in reactive processes because of the large plasma density gradients.
Dies wird durch die erfindungsgemässe Magnetronsputterquelle erreicht, bei der mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei, elektrisch voneinander isolierte Langtarget-Anordnungen längsseitig nebeneinander angeordnet sind, mit einem Abstand, der wesentlich kleiner ist als die Breitenausdehnung der Targetanordnungen, und dass jede der Targetanordnungen einen eigenen
elektrischen Anschluss aufweist, wobei weiter eine Anodenanordnung vorgesehen ist. Die Targets der Targetanordnungen sind bevorzugt an den Ecken abgerundet, den "race tracks" -Bahnen folgend.This is achieved by the magnetron sputter source according to the invention, in which at least two, preferably more than two, electrically isolated long target arrangements are arranged alongside one another along the side, at a distance which is substantially smaller than the width dimension of the target arrangements, and in that each of the target arrangements has its own has electrical connection, an anode arrangement being further provided. The targets of the target arrangements are preferably rounded at the corners, following the "race tracks" tracks.
An einer solchen erfindungsgemässen Magnetronsputterquelle kann mit je unabhängig voneinander eingestellter elektrischer Speisung der einzelnen Targetanordnungen die an einem darüberlie- genden Substrat abgelegte Schichtdicken-Verteilung bereits wesentlich verbessert werden. Dabei kann die erfindungsgemässe Quelle modular an beliebige Grossen zu beschichtender Substrate angepasst werden.In such a magnetron sputtering source according to the invention, the layer thickness distribution deposited on an overlying substrate can already be significantly improved with an independently set electrical supply for the individual target arrangements. The source according to the invention can be modularly adapted to any sizes of substrates to be coated.
Die Anodenanordnung kann - falls nicht zeitweise durch Target- anordnungen selber gebildet, vergleiche Betrieb nach Figur 2 oder 3 - bezüglich der Gesamtanordnung aussenliegend vorgesehen sein, umfasst aber weit bevorzugt Anoden längsseits zwischen den Targetanordnungen und/oder stirnseits der Targetanordnungen, bevorzugt insbesondere längsseits.The anode arrangement - if not temporarily formed by target arrangements itself, compare operation according to FIG. 2 or 3 - can be provided on the outside with respect to the overall arrangement, but more preferably comprises anodes along the side between the target arrangements and / or on the end side of the target arrangements, preferably particularly alongside.
Bevorzugt ist weiter an der Quelle eine stationäre Magnetanordnung vorgesehen; diese wird vorzugsweise durch einen um die Targetanordnungen gemeinsam umlaufenden Magnetrahmen oder, besonders bevorzugt, durch je um die Targetanordnungen umlaufende Rahmen gebildet. Obwohl es durchaus möglich und sinnvoll sein kann, die Magnete am oder an den Rahmen bzw. an der stationären Magnetanordnung mindestens zum Teil durch ansteuerbare Elektro- magnete zu realisieren, werden die Magnete der Anordnung bzw. des bzw. der Rahmen bevorzugt durch Permanentmagnete realisiert .A stationary magnet arrangement is preferably further provided at the source; this is preferably formed by a magnetic frame running around the target arrangements or, particularly preferably, by frames running around the target arrangements. Although it may be entirely possible and sensible to implement the magnets on or on the frame or on the stationary magnet arrangement at least in part by controllable electromagnets, the magnets of the arrangement or of the frame or frames are preferably realized by permanent magnets.
Durch die jeweilige Auslegung der erwähnten stationären Magnetanordnung, vorzugsweise der Permanentmagnet-Rahmen, was das
durch sie erzeugte Magnetfeld an den unmittelbar benachbarten Targetanordnungen anbelangt, kann zusätzlich, durch gezielte Formung der "race tracks", die erwähnte Schichtdicken- Verteilung am Substrat und zudem der Ausnutzungsgrad der vorge- sehenen Langtargets weiter verbessernd beeinflusst werden.By the respective design of the mentioned stationary magnet arrangement, preferably the permanent magnet frame, what that As a result of the magnetic field generated by them on the directly adjacent target arrangements, the aforementioned layer thickness distribution on the substrate and, in addition, the degree of utilization of the long targets provided can be further improved by targeted shaping of the "race tracks".
Weiter sind bevorzugt unterhalb jeder der mindestens zwei Targetanordnungen Magnetanordnungen vorgesehen. Diese können durchaus örtlich stationär und zeitlich fix ausgebildet sein, um das tunnelförmige Magnetfeld an je den Targetanordnungen zu bilden. Weiter bevorzugt sind sie so ausgebildet, dass sie eine zeitliche Variation des Magnetfeldmusters an den Targetanordnungen bewirken. Bezüglich Ausbildung und Erzeugung der Magnet- feldmuster, erfindungsgemäss je an den Targetanordnungen, wird auf die EP-A-0 603 587 bzw. die US-A-5 399 253 derselben Anmel- derin verwiesen, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt zum integrierten Bestandteil der vorliegenden Beschreibung erklärt wird.Furthermore, magnet arrangements are preferably provided below each of the at least two target arrangements. These can be designed to be stationary in location and fixed in time in order to form the tunnel-shaped magnetic field on each of the target arrangements. More preferably, they are designed such that they cause a temporal variation of the magnetic field pattern on the target arrangements. With regard to the formation and generation of the magnetic field pattern, according to the invention in each case on the target arrangements, reference is made to EP-A-0 603 587 and US-A-5 399 253 by the same applicant, the disclosure content of which in this regard forms an integral part of the present description is explained.
Wohl kann, gemass Fig. 2 der EP-A-0 603 587, die Lage des Magnetfeldmusters und damit der Zonen hoher Plasmadichte als Gan- zes verändert werden, weitaus bevorzugt wird diese aber nicht oder nur unwesentlich verändert, hingegen, gemass den Fig. 2 und 3 der erwähnten Schrift, die Lage des Scheitels - der Ort höchster Plasmadichte - verändert.According to FIG. 2 of EP-A-0 603 587, the position of the magnetic field pattern and thus the zones of high plasma density can be changed as a whole, but this is far preferred, but not or only slightly changed, however, according to FIGS. 2 and 3 of the document mentioned, the position of the apex - the location of the highest plasma density - changed.
Jedenfalls können für die Lageveränderung der Zonen bzw. der Scheitel an den Magnetanordnungen je unterhalb der Targetanordnungen, selektiv angesteuerte Elektromagnete, örtlich stationär oder bewegt, vorgesehen sein, weitaus bevorzugt ist diese Magnetanordnung durch getrieben bewegte Permanentmagnete realisiert .
Eine bevorzugte, bewegte Magnetanordnung wird durch mindestens zwei sich unter den Targetanordnungen längserstreckende, getrieben und drehgelagerte Magnetwalzen realisiert, wiederum bevorzugt mit Permanentmagneten, wie dies, an einem Einzeltarget, die Fig. 3 und 4 der EP-A-0 603 587 zeigen.In any case, selectively controlled electromagnets, locally stationary or moving, can be provided for changing the position of the zones or the apexes on the magnet arrangements, depending on the target arrangements. This magnet arrangement is preferably implemented by driven permanent magnets. A preferred, moving magnet arrangement is realized by at least two magnet rollers which extend longitudinally, are driven and rotatably mounted under the target arrangements, again preferably with permanent magnets, as shown on a single target, FIGS. 3 and 4 of EP-A-0 603 587.
Die Magnetwalzen werden dabei im Pendelbetrieb angetrieben, mit Pendelamplitude vorzugsweise < τ/4. Bezüglich dieser Technik und ihrer Effekte wird wiederum vollumfänglich auf die erwähnte EP 0 603 587 bzw. die US-A-5 399 253 verwiesen, welche auch diesbezüglich zum integrierten Bestandteil der vorliegenden Anmeldungsbeschreibung erklärt werden.The magnetic rollers are driven in pendulum mode, with a pendulum amplitude preferably <τ / 4. With regard to this technique and its effects, reference is again made in full to the aforementioned EP 0 603 587 and US-A-5 399 253, which are also declared in this regard to be an integral part of the present application description.
Es werden somit bevorzugt jeweils mindestens zwei sich entlang der Targetanordnungs-Längsausdehnung erstreckende, angetriebene und drehgelagerte Permanentmagnet-Walzen vorgesehen.It is therefore preferred to provide at least two driven and rotatably mounted permanent magnet rollers which extend along the longitudinal dimension of the target arrangement.
Es wird in bevorzugter Art und WeiseIt is preferred
- mit der elektrischen Targetanordnungs-Speisung- With the electrical target arrangement supply
- mit dem Feld der erwähnten stationären Magnetanordnung, insbesondere der erwähnten Rahmen- With the field of the stationary magnet arrangement mentioned, in particular the frame mentioned
- mit der Feld-zeitvariierenden Magnetanordnung je unter den Targetanordnungen, vorzugsweise den Magnet-Walzen- With the field-time-varying magnet arrangement depending on the target arrangements, preferably the magnet rollers
ein Satz von Beeinflussungsgrössen bereitgestellt, welcher, in Kombination, eine weitestgehende Optimierung der abgelegten Schichtdichten-Verteilung erlaubt, insbesondere deren Homogenisierung. Zusätzlich wird ein hoher Targetmaterial- Ausnutzungsgrad erreicht. Höchst vorteilhaft ist, dass bevorzugt - mit Scheitelverschiebung des Magnetfeldes an den Targetanordnungen - nicht die Plasmazonen scannend verschoben werden,
sondern innerhalb der Zonen die Plasmadichteverteilung wobbelnd verändert wird.a set of influencing variables is provided which, in combination, permits the most extensive optimization of the deposited layer density distribution, in particular its homogenization. In addition, a high degree of target material utilization is achieved. It is highly advantageous that the plasma zones are preferably not shifted while scanning, with the vertex shifting of the magnetic field at the target arrangements, but the plasma density distribution is wobbled within the zones.
Um weiter möglichst hohe Sputterleistungen anlegen zu können, werden die Targetanordnungen dadurch bestmöglich gekühlt, dass sie an einem Trägersockel montiert sind, woran deren sockelsei- tige Flächen zu einem überwiegenden Teil bedeckende, gegen die genannte Fläche mittels Folien verschlossene Kühlmedium-Kanäle angeordnet sind. Dadurch wird eine grossflächige Wärmeabführung möglich, indem sich, Kühlmediumdruck-bedingt, die erwähnten Fo- lien mit Druck satt und flächig an die zu kühlenden Targetanordnungen anlegen und anpressen.In order to continue to be able to apply the highest possible sputtering performance, the target arrangements are cooled as best as possible by being mounted on a support base, on the surface of which, on the base side, covering cooling medium channels which are largely covered and which are sealed off from the surface by means of foils, are arranged. This makes it possible to dissipate heat over a large area, in that, due to the cooling medium pressure, the foils mentioned press on and press against the target arrangements to be cooled.
Bevorzugterweise wird an der erfindungsgemässen Magnetronsputterquelle ein Trägersockel, vorzugsweise mindestens teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff, vorgesehen, woran, nebst den erwähnten Target- anordnungen, Anoden sowie, falls vorhanden, die stationäre Magnetanordnung, vorzugsweise Permanentmagnet-Rahmen, die Magnet- anordnung unter den Targetanordnungen, vorzugsweise die beweglichen Permanentmagnet-Anordnungen, insbesondere die erwähnten Walzen, sowie die Kühlmediums-Kanäle aufgenommen sind. Dabei ist der Trägersockel so ausgebildet und montiert, dass er Vakuumatmosphäre und Aussenatmosphäre trennt. Dies erlaubt es, die Targetanordnung bezüglich druckbedingter mechanischer Belastung flexibler auszulegen.A support base, preferably at least partially made of an electrically insulating material, preferably plastic, is preferably provided on the magnetron sputtering source according to the invention, on which, in addition to the mentioned target arrangements, anodes and, if present, the stationary magnet arrangement, preferably permanent magnet frames, the magnet - Arrangement under the target arrangements, preferably the movable permanent magnet arrangements, in particular the rollers mentioned, and the cooling medium channels are included. The support base is designed and mounted so that it separates the vacuum atmosphere and the outside atmosphere. This allows the target arrangement to be designed more flexibly with regard to mechanical stress caused by pressure.
Eine weitere Optimierungs- bzw. Stellgrösse für die erwähnte grossflächige Beschichtungsdickenverteilung ergibt sich dadurch, dass, verteilt entlang den Targetanordnungs-Längsseiten, Gasaustritts-Öffnungen vorgesehen sind, welche mit einem Gas- verteilsystem kommunizieren. Dadurch wird die Möglichkeit ge-
schaffen, Reaktivgas und/oder Arbeitsgas mit gezielt eingestellter Verteilung in den über der erfindungsgemässen Quelle vorgesehenen Prozessraum einer erfindungsgemässen Vakuumbehand- lungs-Kammer bzw. -Anlage einzubringen.A further optimization or manipulated variable for the aforementioned large-area coating thickness distribution results from the fact that gas outlet openings, which communicate with a gas distribution system, are provided, distributed along the long sides of the target arrangement. This gives the opportunity create reactive gas and / or working gas with a specifically adjusted distribution in the process space provided above the source according to the invention of a vacuum treatment chamber or system according to the invention.
Die Recktecktarget-Anordnungen sind bevorzugterweise um höchstens 15 %, vorzugsweise höchstens um 10 %, vorzugsweise gar höchstens um 7 % ihrer Breitenausdehnung voneinander beabstandet .The rectangular target arrangements are preferably spaced apart from one another by at most 15%, preferably at most by 10%, preferably at most by 7% of their width dimension.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der seitliche Ab- stand zwischen den einzelnen Targetanordnungen dIn a preferred embodiment, the lateral distance between the individual target arrangements is d
1 mm < d < 230 mm, dabei bevorzugterweise1 mm <d <230 mm, preferably
7 mm < d < 20 mm.7 mm <d <20 mm.
Die Breite B der einzelnen Targetanordnungen beträgt vorzugsweiseThe width B of the individual target arrangements is preferably
60 mm < B < 350 mm, dabei vorzugsweise60 mm <B <350 mm, preferably
80 mm < B ≤ 200 mm80 mm <B ≤ 200 mm
und ihre Länge L vorzugsweiseand their length L preferably
400 mm < L < 2000 mm.400 mm <L <2000 mm.
Dabei ist die Längsausdehnung der einzelnen Targetanordnungen mit Bezug auf ihre Breitenausdehnung mindestens gleich, vorzugsweise wesentlich länger. Obwohl die Sputterflachen der einzelnen Langtarget-Anordnungen, für sich eben oder bereits vorprofiliert, bevorzugterweise entlang einer Ebene angeordnet sind, ist es durchaus möglich, insbesondere die seitlichen Sputterflachen näher an das zu beschichtende Substrat als die
mittleren anzuordnen, gegebenenfalls auch geneigt, um - falls noch nötig - Randeffekte auf die Beschichtungsdickenverteilung zusätzlich zu kompensieren.The length of the individual target arrangements is at least the same with respect to their width, preferably much longer. Although the sputtering surfaces of the individual long target arrangements, preferably flat or already pre-profiled, are preferably arranged along a plane, it is entirely possible, in particular the lateral sputtering surfaces, to be closer to the substrate to be coated than that to be arranged in the middle, if necessary also inclined, in order to - if necessary - additionally compensate for edge effects on the coating thickness distribution.
Die Elektronen des Magnetronplasmas laufen entlang der "race tracks" in einer durch Magnetfeld und elektrisches Feld im Targetoberflächenbereich festgelegten Richtung um. Es wurde nun erkannt, dass die Führung der Elektronenbahn bzw. deren Beeinflussung und damit die Beeinflussung der entstehenden Erosions- graben an den Targetoberflächen dadurch gezielt optimiert wer- den kann, dass das vorgesehene Magnetfeld entlang der Target- anordnungs-Längsausdehnungen, d.h. nicht nur zeitlich variierend, sondern örtlich unterschiedlich ausgebildet wird. Bei vorzugsweise vorgesehenen Magnet-Rahmen - vorzugsweise je einer, weiter vorzugsweise je ein Permanentmagnet-Rahmen - wird dies jedenfalls durch die Positionierung und/oder die gewählte Stärke der am Rahmen vorgesehenen Magnete realisiert und/oder, bei Vorsehen der Magnetanordnung je unterhalb der Targetanordnungen, vorzugsweise den erwähnten Permanentmagnet-Walzen, durch entsprechend variierte Stärke und/oder Relativposition von Magneten an der Magnetanordnung. Weil die Elektronen sich entsprechend der Magnetfeld-Polung in einer gegebenen Umlauf- richtung bewegen, wurde beobachtet, dass offenbar aufgrund von Abdri tkräften die Elektronen insbesondere in den Schmalseitenbereichen der Targetanordnungen und entsprechend ihrer Bewe- gungsrichtung, an Bereichen sich diagonal gegenüberliegenderThe electrons of the magnetron plasma circulate along the "race tracks" in a direction determined by a magnetic field and an electric field in the target surface area. It has now been recognized that the guidance of the electron path or its influencing and thus the influencing of the erosion trenches formed on the target surfaces can be optimized in a targeted manner in that the magnetic field provided along the longitudinal extent of the target arrangement, i.e. is not only varied in terms of time, but is trained in different locations. In the case of preferably provided magnetic frames - preferably one, more preferably one permanent magnet frame each - this is achieved in any case by the positioning and / or the selected strength of the magnets provided on the frame and / or, if the magnet arrangement is provided, below the target arrangements, preferably the mentioned permanent magnet rollers, by correspondingly varied strength and / or relative position of magnets on the magnet arrangement. Because the electrons move according to the magnetic field polarity in a given direction of rotation, it was observed that apparently due to drag forces, the electrons, especially in the narrow side areas of the target arrangements and according to their direction of movement, in areas diagonally opposite one another
Eckpartien nach aussen gedrängt werden. Es wird deshalb, besonders bevorzugt, vorgeschlagen, bei vorgesehenen Magnet-Rahmen, die von den Rahmenmagneten erzeugte Feldstärke spiegelsymmetrisch zur Target- "Rechteck" -Diagonale örtlich unterschiedlich auszubilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Quelle sind die Targetanordnungen mittels linearer Bajonettverschlüsse gehaltert, dies insbesondere in Kombination mit ihrer Kühlung über druckbeaufschlagte Folien obenerwähnter Art. Damit können die Anordnungen, nach Druckentlastung der Kühlmedium- Kanäle, höchst einfach ersetzt werden, der weitaus überwiegende Anteil der Targetanordnungs-Rückseite bleibt für das Kühlen frei, und es liegen keine Befestigungsorgane für die Targetanordnungen gegen den Prozessraum frei .Corner parts are pushed outwards. It is therefore particularly preferred that, in the case of provided magnetic frames, the field strength generated by the frame magnets be designed mirror-symmetrically to the target “rectangle” diagonal in different locations. In a preferred embodiment of the source according to the invention, the target arrangements are held by means of linear bayonet closures, in particular in combination with their cooling via pressurized foils of the type mentioned above. The arrangements, after relieving the pressure on the cooling medium channels, can thus be replaced very simply, the vast majority of The rear of the target arrangement remains free for cooling, and there are no fastening elements for the target arrangements exposed against the process space.
Eine bevorzugte erfindungsgemässe Quelle weist mehr als zwei Targetanordnungen auf, bevorzugterweise fünf und mehr.A preferred source according to the invention has more than two target arrangements, preferably five or more.
Durch Einsatz einer erfindungsgemässen Magnetronsputterquelle an einer Sputterbeschichtungskammer, woran, diesbezüglich beabstandet, ein Substratträger für mindestens ein sputterzube- schichtendes, vorzugsweise planes Substrat vorgesehen ist, wird es möglich, ein optimal kleines Verhältnis VQS zwischen gesput- terter Quellenflächen FQ und zu beschichtender Substratoberfläche Fs zu realisieren, für welches gilt:By using a magnetron sputter source according to the invention on a sputter coating chamber, on which, spaced apart in this respect, a substrate carrier is provided for at least one preferably planar substrate to be sputter-coated, it is possible to achieve an optimally low ratio V QS between sputtered source areas F Q and the substrate surface to be coated To realize F s , for which applies:
VQS < 3, vorzugsweiseV QS <3, preferably
VQS < 2, dabei insbesondere bevorzugtV QS <2, particularly preferred
1,5 < VQS< 2.1.5 <V QS <2.
Damit wird der Nutzwirkungsgrad der Quelle wesentlich erhöht. Dies wird im weiteren an einer erfindungsgemässen Sputterbeschichtungskammer mit der erwähnten Quelle in noch weiterem Masse dadurch erreicht, dass der Abstand D zwischen der Neufläche der Magnetronsputterquelle und dem Substrat im wesentlichen
gleich der Breite einer der Langtargetanordnungen gewählt wird, vorzugsweise zuThis significantly increases the efficiency of the source. This is further achieved in a sputter coating chamber according to the invention with the source mentioned to an even greater extent in that the distance D between the new surface of the magnetron sputtering source and the substrate essentially equal to the width of one of the long target arrangements is selected, preferably to
60 mm < D < 250 mm,60 mm <D <250 mm,
vorzugsweise zu 80 mm < D < 160 mm.preferably 80 mm <D <160 mm.
An einer erfindungsgemässen Vakuumbeschichtungsanlage mit der erwähnten erfindungsgemässen Sputterbeschichtungskammer und damit der erfindungsgemässen Magnetronsputterquelle, sind die Targetanordnungen je mit einem elektrischen Generator bzw. Stromquellen verbunden, welche Generatoren unabhängig voneinan- der ansteuerbar sind.In a vacuum coating system according to the invention with the mentioned sputter coating chamber according to the invention and thus the magnetron sputter source according to the invention, the target arrangements are each connected to an electrical generator or current sources, which generators can be controlled independently of one another.
In einer weiteren Auführungsform, oder gegebenenfalls, bei Vorsehen mehrerer Targetanordnungen kombiniert mit der vorerwähnten Generatoranordnung, können mindestens zwei der vorgesehenen Targetanordnungen mit den Ausgängen eines gemeinsamen AC- Generators verbunden sein.In a further embodiment, or, if appropriate, when a plurality of target arrangements are provided combined with the aforementioned generator arrangement, at least two of the intended target arrangements can be connected to the outputs of a common AC generator.
Die Generatoren zur jeweils unabhängigen elektrischen Speisung der Targetanordnungen können "artrein" DC-Generatoren, AC- Generatoren, Generatoren für die Erzeugung überlagerter DC- und AC-Signale oder gepulster DC-Signale sein, wobei insbesondere bei DC-Generatoren zwischen Generator und jeweiliger Targetanordnung eine Choppereinheit vorgesehen werden kann, mittels welcher die Targetanordnung, getaktet auf den Generatorausgang oder niederohmiger, auf ein Bezugspotential des Generators gelegt wird. Bezüglich dieser Technik wird vollumf nglich auf die EP-A-0 564 789 bzw. die US-Anmeldung Nr. 08/887 091 derselben Anmelderin verwiesen.
Im weiteren sind längsseits der Targetanordnungen vorgesehene Gasauslassöffnungen mit einem Reaktivgastank und/oder einem Arbeitsgastank, wie für Argon, verbunden, und es können bevorzugterweise die Gasauslässe entlang verschiedener Targetanord- nungs-Längsseiten bezüglich Gasfluss unabhängig voneinander eingestellt werden.The generators for the respectively independent electrical supply of the target arrangements can be "pure" DC generators, AC generators, generators for the generation of superimposed DC and AC signals or pulsed DC signals, in particular in the case of DC generators between the generator and the respective target arrangement a chopper unit can be provided, by means of which the target arrangement, clocked on the generator output or with a lower resistance, is connected to a reference potential of the generator. With regard to this technique, reference is made in full to EP-A-0 564 789 or US application No. 08/887 091 by the same applicant. Furthermore, gas outlet openings provided along the side of the target arrangements are connected to a reactive gas tank and / or a working gas tank, such as for argon, and the gas outlets can preferably be adjusted independently of one another with respect to gas flow along different longitudinal sides of the target arrangement.
Die erfindungsge ässe Sputterbeschichtungsanlage mit mindestens drei Langtarget-Anordnungen wird bevorzugterweise so betrieben, dass die seitlich aussenliegenden Targetanordnungen mit 5 bis 35 % mehr Sputterleistung betrieben werden, vorzugsweise mit 10 bis 20 %, als die innenliegenden Targetanordnungen. Das oben erwähnte "Scannen" der Targetanordnungen bezüglich Lage der Plasmazonen und insbesondere das bevorzugte "Wobbein" der Scheitellage der Tunnel-Magnetfelder und damit der Plasmadich- te-Verteilung, insbesondere bevorzugt realisiert mittels der erwähnten Magnet-Walzen, im Pendelbetrieb, erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz von 1 bis 4 Hz, vorzugsweise von ca. 2 Hz . Dabei beträgt die Walzen-Pendelamplitude vorzugsweise φ < π/4. Durch gezielte Auslegung der Weg/Zeit-Profile für die erwähnte Lageverschiebung wird die Beschichtungsdicken-Verteilung am Substrat noch weiter optimiert .The inventive sputter coating system with at least three long target arrangements is preferably operated in such a way that the laterally external target arrangements are operated with 5 to 35% more sputtering power, preferably with 10 to 20%, than the internal target arrangements. The above-mentioned “scanning” of the target arrangements with regard to the position of the plasma zones and, in particular, the preferred “wobble” of the apex position of the tunnel magnetic fields and thus the plasma density distribution, particularly preferably realized by means of the mentioned magnetic rollers, in pendulum operation, is preferably carried out with a frequency of 1 to 4 Hz, preferably of approximately 2 Hz. The roller pendulum amplitude is preferably φ <π / 4. The coating thickness distribution on the substrate is optimized even further by specifically designing the path / time profiles for the position shift mentioned.
Dabei ist zu betonen, dass hierfür auch die an die Targetanordnungen aufgeschaltenen Generatoren zur Abgabe in der Zeit und in gegenseitiger Abhängigkeit modulierter Ausgangssignale ange- steuert werden können.It should be emphasized here that the generators connected to the target arrangements can also be controlled for delivery in time and in mutually dependent manner of modulated output signals.
Im weiteren wird die elektrische Speisung der Targetanordnungen und/oder der verteilte Gaseinlass und/oder die Magnetfeldverteilung so gesteuert oder in der Zeit moduliert, dass am
Substrat eine erwünschte Schichtdickenverteilung resultiert, vorzugsweise eine homogene.Furthermore, the electrical supply to the target arrangements and / or the distributed gas inlet and / or the magnetic field distribution is controlled or modulated in time so that the Substrate results in a desired layer thickness distribution, preferably a homogeneous.
Die Magnetronsputterquelle wird vorzugsweise mit einer Leistungsdichte p vonThe magnetron sputter source is preferably with a power density p of
1 W/cm2 < p < 30 W/cm2,1 W / cm 2 <p <30 W / cm 2 ,
dabei insbesondere zum reaktiven Ablegen von Schichten vorzugsweise aus metallischen Targets, dabei insbesondere ITO- Schichten mitin particular for the reactive deposition of layers, preferably made of metallic targets, in particular with ITO layers
1 W/cm2 < p < 5 W/cm2 1 W / cm 2 <p <5 W / cm 2
und zum Sputterbeschichten von Metallschichten vorzugsweise mitand preferably for sputter coating of metal layers
15 W/cm2 < p < 30 W/cm2 15 W / cm 2 <p <30 W / cm 2
betrieben.operated.
Wie im Zusammenhang mit der Entwicklung der vorerwähnten, er- findungsgemässen Magnetronsputterquelle erkannt wurde, ist es insbesondere bei Targetplattenanordnungen, welche wesentlich länger als breit sind, grundsätzlich vorteilhaft, die Magnetfeldstärke des Magnetronfeldes, betrachtet in Längsrichtung der Targetanordnungen und insbesondere in deren Seitenbereich örtlich unterschiedlich auszubilden.As was recognized in connection with the development of the above-mentioned magnetron sputtering source according to the invention, it is fundamentally advantageous, in particular in the case of target plate arrangements which are substantially longer than wide, to design the magnetic field strength of the magnetron field differently in the longitudinal direction of the target arrangements and in particular in their side region .
Diese Erkenntnis ist aber für Langmagnetrons grundsätzlich anwendbar .However, this finding is generally applicable to long magnetrons.
Deshalb wird für eine erfindungsgemässe Langmagnetronquelle, welche darunter ein zeitlich variables, vorzugsweise bewegtes Magnet-System, vorzugsweise Permanentsystem umfasst, vorge- schlagen, der Targetanordnung einen Magnet-Rahmen zuzuordnen,
vorzugsweise einen Permanentmagnet-Rahmen und dabei, in einer gegebenen Raumrichtung gemessen, die Feldstärke der Rahmen- Magnete entlang den Targetanordnungs-Längsseiten örtlich unterschiedlich auszubilden. Zur Kompensation der erwähnten, auf die umlaufenden Elektronen wirkenden Abdriftkräfte, wird dabei vorgeschlagen, diese Feldstärke im wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Targetdiagonale örtlich unterschiedlich auszubilden.For a long magnetron source according to the invention, which includes a temporally variable, preferably moving magnet system, preferably a permanent system, it is therefore proposed to assign a magnetic frame to the target arrangement, preferably a permanent magnet frame and, measured in a given spatial direction, form the field strength of the frame magnets along the longitudinal sides of the target arrangement differently. To compensate for the aforementioned drift forces acting on the revolving electrons, it is proposed to design this field strength locally in a manner that is essentially mirror-symmetrical to the target diagonal.
Die vorliegende Erfindung unter all ihren Aspekten eignet sich insbesondere für das Sputterbeschichten von Substraten, insbe- sondere von grossflächigen und dabei vorzugsweise planenThe present invention in all of its aspects is particularly suitable for the sputter coating of substrates, in particular of large areas and preferably planing
Substraten durch einen reaktiven Prozess, vorzugsweise ab metallischen Targets, vorzugsweise mit einer ITO-Schicht (Indium- Zinn-Oxid) . Die Erfindung eignet sich weiter insbesondere für die Beschichtung von Substraten, insbesondere Glassubstraten, im Rahmen der Herstellung von Flachpannel-Displays , insbesondere von TFT- oder PDP-Pannels, wobei grundsätzlich die Möglichkeit eröffnet wird, Grossubstrate, beispielsweise auch Halbleitersubstrate, höchst rationell und mit geringsten Ausschussquoten reaktiv oder nicht reaktiv sputterzubeschichten, aber ins- besondere eben auch reaktiv.Substrates by a reactive process, preferably from metallic targets, preferably with an ITO layer (indium tin oxide). The invention is furthermore particularly suitable for the coating of substrates, in particular glass substrates, in the context of the production of flat panel displays, in particular TFT or PDP panels, which basically opens up the possibility of using large substrates, for example also semiconductor substrates, very efficiently and with lowest reject rates reactive or non-reactive sputter coating, but especially reactive.
Gerade bei reaktiven Sputterbeschichtungsprozessen, insbesondere bei ITO-Beschichtung, sind niedere EntladeSpannungen für das Erreichen hoher Schichtqualität, dabei insbesondere tiefe Schichtwiderstände, auch ohne Temperschritt wesentlich. Dies wird durch die erfindungsgemässe Quelle erreicht.In the case of reactive sputter coating processes in particular, in the case of ITO coating, low discharge voltages are essential for achieving high layer quality, in particular low layer resistances, even without a tempering step. This is achieved by the source according to the invention.
Dabei wird auch wirksam eine Unterdrückung von Are-Entladungen realisiert .Suppression of are discharges is also effectively implemented.
Die Erfindung wird anschliessend anhand von Figuren beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Magnetronsputterquelle, elektrisch in einer ersten Variante betrieben;The invention is subsequently explained using figures, for example. Show it: 1 shows a magnetron sputter source according to the invention, operated electrically in a first variant;
Fig. 2 schematisch die erfindungsgemässe Sputterquelle nachFig. 2 shows schematically the sputtering source according to the invention
Fig. 1 in einer weiteren elektrischen Beschaltungskon- figuration;1 in a further electrical circuit configuration;
Fig. 3 eine weitere elektrische Beschaltungskonfiguration der erfindungsgemässen Sputterquelle, dargestellt in Analogie zu Fig. 1;3 shows a further electrical circuit configuration of the sputter source according to the invention, shown in analogy to FIG. 1;
Fig. 4 einen Ausschnitt einer erfindungsgemässen Magne- tronsputterquelle in Querschnitts-Darstellung;4 shows a detail of a magnet sputter source according to the invention in a cross-sectional representation;
Fig. 5 in Aufsicht einen linearen Bajonettverschluss , wie er bevorzugt an der Quelle gemass Fig. 4 eingesetzt wird,5 is a top view of a linear bayonet lock, as is preferably used at the source according to FIG. 4,
Fig. 6 vereinfacht eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer erfindungsgemässen Magnetronquelle ;6 simplifies a top view of a section of a magnetron source according to the invention;
Fig. 7 eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer an der erfindungsgemässen Magnetronsputterquelle gemass Fig. A bevorzugterweise vorgesehenen Permanentmagnet- Walze;7 shows a plan view of a preferred embodiment of a permanent magnet roller preferably provided on the magnetron sputter source according to the invention according to FIG. A;
Fig. 8 schematisch eine erfindungsgemässe Sputterbeschich- tungs-Anlage;8 schematically shows a sputter coating system according to the invention;
Fig. 9 ein Erosionsprofil an einer der Targetanordnungen der erfindungsgemässen Quelle;9 shows an erosion profile on one of the target arrangements of the source according to the invention;
Fig. 10 an einer erfindungsgemässen Quelle mit fünf Target- anordnungen ermittelt, die Verteilung des von der Quel- le abgesputterten Materials;
Fig. 11 ein Schichtdicken-Relief an einem 530 x 630 mm2-10 determined on a source according to the invention with five target arrangements, the distribution of the material sputtered from the source; 11 is a layer thickness relief on a 530 x 630 mm 2 -
Glassubstrat , beschichtet mit einer erfindungsgemässen Quelle.Glass substrate coated with a source according to the invention.
In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemässe Magnetronsput- terquelle 1 in ihrer Grundkonfiguration dargestellt. Sie um- fasst mindestens zwei, wie dargestellt beispielsweise drei, Langtarget-Anordnungen 3a bis 3c. Die an einer Magnetronsputterquelle bekanntlich vorzusehenden weiteren Aggregate, wie Magnetfeldquellen, Kühleinrichtungen etc., sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Die Quelle 1 weist an jeder der Targetanordnungen 3 einen eigenen elektrischen Anschluss 5 auf. Vorzugsweise zwischen den längsseits voneinander beabstandeten Targetanordnungen 3 sind, z.B. leistenförmig, Anoden 7a, 7b vorgesehen.1 schematically shows a magnetron sputtering source 1 according to the invention in its basic configuration. It comprises at least two, as shown for example three, long target arrangements 3a to 3c. The further units known to be provided on a magnetron sputter source, such as magnetic field sources, cooling devices etc., are not shown in FIG. 1. The source 1 has its own electrical connection 5 on each of the target arrangements 3. Preferably between the longitudinally spaced apart target arrangements 3, e.g. strip-shaped, anodes 7a, 7b provided.
Dadurch, dass die Targetanordnungen 3 elektrisch voneinander isoliert sind und je elektrische Anschlüsse 5 aufweisen, wird ihre unabhängige elektrische Beschaltung, wie anschliessend auch im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrieben wird, möglich.The fact that the target arrangements 3 are electrically insulated from one another and each have electrical connections 5 makes their independent electrical connection possible, as is subsequently also described in connection with FIGS. 2 and 3.
Gemass Fig. 1 wird jede der Targetanordnungen 3 auf einen Gene- rator 9 geschaltet, welche Generatoren unabhängig voneinander ansteuerbar sind und welche auch nicht zwingend derselben Gattung angehören müssen. Wie schematisch dargestellt, können alle Generatoren, oder gegebenenfalls gemischt, durch DC-Generatoren, AC-Generatoren, AC- und DC-Generatoren, Generatoren zur Abgabe gepulster DC-Signale oder als DC-Generatoren mit zwischen Generatorausgang und der jeweiligen Targetanordnung vorgesehenen Choppereinheitein ausgebildet sein, bezüglich deren Aufbau und Wirkungsweise vollumfänglich auf die erwähnte EP-A-0 564 789 bzw. US-Anmeldung Nr. 08/887 091 verwiesen wird.
Auch die Anoden 7 können frei wählbar elektrisch betrieben werden. Dies, indem sie, wie mit dem Generator 12 dargestellt, z.B. auf DC- , AC- oder DC- mit überlagertem AC oder gepulste DC-Spannung, ggf. wiederum über eine der erwähnten Chopperein- heiten, betrieben werden, oder, wie bei 12a dargestellt, aufAccording to FIG. 1, each of the target arrangements 3 is connected to a generator 9, which generators can be controlled independently of one another and which also do not necessarily have to belong to the same type. As shown schematically, all generators, or if necessary mixed, can be formed by DC generators, AC generators, AC and DC generators, generators for delivering pulsed DC signals or as DC generators with chopper units provided between the generator output and the respective target arrangement with regard to their structure and mode of operation, reference is made in full to the aforementioned EP-A-0 564 789 or US application No. 08/887 091. The anodes 7 can also be operated electrically as desired. This is done by operating them, as shown with the generator 12, for example on DC, AC or DC with superimposed AC or pulsed DC voltage, if necessary again via one of the mentioned chopper units, or, as in 12a shown on
Bezugspotential gelegt werden. Durch Variation des elektrischen Kathoden-, d.h. Targetanordnungs-Betriebes , und ggf. zusätzlich des elektrischen Anodenbetriebes, verteilt über die durch die Targetanordnungen gebildete Quellenfläche, kann gezielt die Verteilung abgesputterten Materials und mithin die Verteilung auf einem über der Quelle angeordneten (nicht dargestellten) Substrat eingestellt werden.Reference potential can be laid. By varying the electrical cathode, i.e. Target arrangement operation, and possibly additionally the electrical anode operation, distributed over the source area formed by the target arrangements, the distribution of sputtered material and consequently the distribution on a substrate (not shown) arranged above the source can be adjusted.
Dabei können die Generatoren 9, in gegenseitiger Abhängigkeit, wie mit den Modulations-Eingängen MOD dargestellt, in der Zeit moduliert werden, um so, gezielt, wanderwellenartig die elektrischen Betriebsverhältnisse über den Targetanordnungen zeitlich zu modulieren.In this case, the generators 9 can be modulated in time in a mutual dependency, as represented by the modulation inputs MOD, in order to modulate the electrical operating conditions over the target arrangements in a targeted, traveling wave-like manner.
In den Fig. 2 und 3 sind, unter Beibehalt der Positionszeichen für bereits beschriebene Quellenteile, weitere elektrische Be- schaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemässen Quelle 1 dargestellt, bei denen (nicht dargestellt) auf eine Anodenanordnung verzichtet werden kann.2 and 3, while maintaining the position symbols for source parts already described, further electrical connection options of the inventive source 1 are shown, in which (not shown) an anode arrangement can be dispensed with.
Gemass den Fig. 2 und 3 werden Targetanordnungen 3 jeweils paarweise mit den Eingängen von AC-Generatoren 15a, 15b bzw. 17a, 17b verbunden, wobei auch hier die Generatoren 15 bzw. 17 gegebenenfalls AC-überlagerte DC-Signale oder gepulste DC- Signale abgeben können. Wieder werden die Generatoren 15, 17 gegebenenfalls moduliert, z.B. ein AC-Ausgangssignal, praktisch als Trägersignal, mit einer Amplitudenmodulation.
Während gemass Fig. 2 jeweils eine der Targetanordnungen (3b) mit einem Eingang je eines der Generatoren 15a und 15b verbunden ist, sind die Targetanordnungen 3 gemass Fig. 3 paarweise über die Generatoren 17 verbunden, wobei es durchaus möglich ist, wie gestrichelt bei 19 dargestellt, im Sinne von "common mode" -Signalen sowohl bei der Ausführung nach Fig. 2 wie auch nach derjenigen von Fig. 3, einzelne Targetanordnungsgruppen gemeinsam auf unterschiedliche Potentiale zu legen. Wird eine Beschaltungstechnik nach Fig. 2 oder 3 gewählt, so werden in bevorzugter Ausführungsform die Generatoren mit einer Frequenz von 12 bis 45 kHz betrieben. Bezüglich eines "common mode"- Potentials, wie beispielsweise das in Fig. 2 eingetrage Massepotential, werden dabei jeweils paarweise an einen Generator geschaltete Targetanordnungen abwechselnd auf positive und ne- gative Potentiale gelegt.2 and 3, target arrangements 3 are each connected in pairs to the inputs of AC generators 15a, 15b and 17a, 17b, with generators 15 and 17 possibly also AC-superimposed DC signals or pulsed DC signals can deliver. Again, the generators 15, 17 are optionally modulated, for example an AC output signal, practically as a carrier signal, with an amplitude modulation. 2, one of the target arrangements (3b) is connected to an input of each of the generators 15a and 15b, the target arrangements 3 according to FIG. 3 are connected in pairs via the generators 17, it being entirely possible, as shown in dashed lines at 19 shown, in the sense of "common mode" signals, both in the embodiment according to FIG. 2 and also according to that of FIG. 3, to put individual target arrangement groups together on different potentials. 2 or 3, the generators are operated in a preferred embodiment at a frequency of 12 to 45 kHz. With regard to a "common mode" potential, such as the ground potential entered in FIG. 2, target arrangements connected in pairs to a generator are alternately placed on positive and negative potentials.
Aus den Darstellungen von Fig. 1 bis 3 ist erkenntlich, dass die erfindungsgemässe Magnetronquelle eine sehr hohe Flexibilität zulässt, die einzelnen Targetanordnungen 3 elektrisch zu betreiben und damit die Verteilung abgesputterten Materials im Prozessraum 10 und an einem Substrat abgelegten Materials gezielt auszulegen.It can be seen from the illustrations in FIGS. 1 to 3 that the magnetron source according to the invention allows a very high flexibility to operate the individual target arrangements 3 electrically and thus to selectively design the distribution of sputtered material in the process space 10 and material deposited on a substrate.
In Fig. 4 ist eine Querschnitts-Darstellung einer erfindungsgemässen Magnetronsputterquelle in einer bevorzugten Ausführungsform ausschnittsweise dargestellt. Gemass Fig. 4 umfassen die Targetanordnungen je eine Targetplatte 3al bzw. 3bl aus zu sput- terndem Material, welche je auf eine back-plate 3a2 bzw. 3b2 ge- bondet sind. Mit Hilfe linearer Bajonettverschlüsse 20 sind die Targetanordnungen 3 an ihrer seitlichen Peripherie und/oder in ihrem Zentrumsbereich an einer metallischen Kühlplatte 23 ge- haltert.
Die Ausbildung der linearen Bajonettverschlüsse ergibt sich aus Fig. 5. Darnach ist entweder an der Targetanordnung 3 oder an der Kühlplatte 23 eine Hohlschiene 25 vorgesehen, im Querschnitt U-förmig, mit einwärtsgebogenen U-Schenkeln 27, woran, beabstandet, Einformungen 29 eingearbeitet sind. Am andern der beiden Teile, vorzugsweise an der Targetanordnung 3, ist eine lineare Schiene 31 vorgesehen mit T-Querschnittsform, woran die Endpartien des Querbalkens 33 Ausformungen 34 aufweisen. Durch Einführen der Ausformungen 34 in die Einformungen 29 und linea- res Verschieben in Richtung S werden die beiden Teile miteinander verhakt. Selbstverständlich ist es möglich, in Sinne einer Umkehr, an der Hohlschiene Ausformungen vorzusehen, die, entsprechend, in Einformungen an der Schiene 31 eingreifen.4 shows a cross-sectional representation of a magnetron sputtering source according to the invention in a preferred embodiment in sections. According to FIG. 4, the target arrangements each comprise a target plate 3 al or 3 bl made of material to be sputtered, which are each bonded to a back plate 3 a2 or 3 b2 . With the aid of linear bayonet catches 20, the target arrangements 3 are held on a metal cooling plate 23 on their lateral periphery and / or in their central region. The design of the linear bayonet catches results from FIG. 5. According to this, a hollow rail 25 is provided either on the target arrangement 3 or on the cooling plate 23, U-shaped in cross section, with inwardly bent U-legs 27, on which, at a distance, indentations 29 are incorporated . On the other of the two parts, preferably on the target arrangement 3, a linear rail 31 is provided with a T-shaped cross-section, on which the end parts of the crossbeam 33 have shaped portions 34. The two parts are hooked to one another by introducing the formations 34 into the formations 29 and moving them linearly in the direction S. Of course, it is possible, in the sense of a reversal, to provide moldings on the hollow rail which, correspondingly, engage in moldings on the rail 31.
Das Festspannen der Targetanordnungen 3 an der Kühlplatte 23 erfolgt erst durch Unterdrucksetzung eines Kühlmediums in Kühlkanälen 35 in der Kühlplatte 23. Diese Kanäle 35 erstrecken sich entlang des überwiegenden Flächenbereiches der gegen die Kühlplatte 23 hin liegenden Targetanordnungsfläche. Die Kühlkanäle 35, wie erwähnt mit einem unter Druck gesetzten, flüssigen Kühlmedium beaufschlagt, sind gegen die Targetanordnungen 3 hin, wie dies beispielsweise in der CH-A-687 427 derselben Anmelderin ausführlich beschrieben ist, durch eine folienartige Membran 37 dichtend abgeschlossen. Die Folien 37 legen sich, unter Kühlmediumsdruck, satt an die Unterseite der back-plate 3a2 bzw. 3b2. Dabei wird erst bei Unterdrucksetzung des Kühlmediums die Targetanordnung unverrückbar im Bajonettverschluss festgespannt. Zur Entfernung der Targetanordnungen 3 wird das Kühlsystem, als Ganzes oder das jeweilige Kühlsystem, druckentlastet , worauf die Targetanordnungen spielend ausgeschoben und entfernt bzw. ausgewechselt werden können.
Längsseits der Targetanordnungen 3 verlaufen Anodenleisten 39. Die Anodenleisten sowie die Kühlplatte 23 sind auf einem Trägersockel 41 montiert, der bevorzugterweise mindestens teilweise aus isolierendem Material, vorzugsweise aus Kunststoff ge- fertigt ist. Der Sockel 41 trennt die Vakuumatmosphäre im Prozessraum 10 von Umgebungs- bzw. Normalatmosphäre im Raum 11.The target arrangements 3 are only clamped to the cooling plate 23 by pressurizing a cooling medium in cooling channels 35 in the cooling plate 23. These channels 35 extend along the predominant surface area of the target arrangement surface lying against the cooling plate 23. The cooling channels 35, as mentioned above with a pressurized liquid cooling medium, are sealed off against the target arrangements 3, as described in detail for example in CH-A-687 427 by the same applicant, by a film-like membrane 37. The foils 37 lie fully under the cooling medium pressure on the underside of the back plate 3 a2 or 3 b2 . Only when the cooling medium is pressurized is the target arrangement immovably clamped in the bayonet lock. To remove the target arrangements 3, the cooling system, as a whole or the respective cooling system, is relieved of pressure, whereupon the target arrangements can be easily pushed out and removed or replaced. Anode strips 39 run alongside the target arrangements 3. The anode strips and the cooling plate 23 are mounted on a support base 41, which is preferably at least partially made of insulating material, preferably plastic. The base 41 separates the vacuum atmosphere in the process space 10 from the ambient or normal atmosphere in the space 11.
Im Trägersockel 41 sind, Atmosphärendruck-seitig, beispielsweise zwei sich über die Längsausdehnung der Targetanordnungen erstreckende Permanentmagnet-Walzen 43 drehbar gelagert und wer- den (nicht dargestellt) durch Antriebsmotoren pendelnd angetrieben. Sie führen, im Pendelbetrieb, vorzugsweise eine 180°- Drehwinkel-Pendelbewegung - ω43 - aus. In den Permanentmagnet- Walzen 43 sind, entlang ihrer Längsausdehnung, vorzugsweise diametral, Permanentmagnete 45 eingelassen.In the support base 41, on the atmospheric pressure side, for example, two permanent magnet rollers 43 extending over the longitudinal extent of the target arrangements are rotatably mounted and are (not shown) driven in an oscillating manner by drive motors. In pendulum mode, they preferably perform a 180 ° - angle of rotation pendulum movement - ω43 -. Permanent magnets 45 are embedded in the permanent magnet rollers 43 along their longitudinal extension, preferably diametrically.
Im Trägersockel 41 ist weiter, wiederum atmosphärenseitig, für jede Targetanordnung 3 je ein Permanentmagnet-Rahmen 47 eingelassen, der im wesentlichen, und wie sich aus Fig. 6 ergibt, unterhalb und entlang dem Peripheriebereich der jeweiligen Targetanordnung 3 verläuft .In the support base 41 there is also a permanent magnet frame 47 for each target arrangement 3, again on the atmosphere side, which essentially, and as can be seen in FIG. 6, runs below and along the peripheral region of the respective target arrangement 3.
Insbesondere entlang der Targetanordnungs-Längsseiten mündenIn particular, open along the long sides of the target arrangement
Gaseinlassleitungen 49 gemass Fig. 6, und wie in Fig. 4 gestrichelt eingetragen, aus, welche bevorzugterweise je reihenweise bezüglich Gasdurchfluss unabhängig voneinander steuerbar sind. Dies ist in Fig. 4 mit Stellventilen 51 schematisch darge- stellt, die in einer Verbindung zwischen den Leitungen 49 und einer Gastankanordnung 53 mit einem Arbeitsgas, wie Argon und/oder mit einem Reaktivgas vorgesehen sind.
Bezüglich dem Betrieb und der Auslegung der Permentmagnet- Walzen 43 wird nochmals vollumfänglich auf den Offenbarungsgehalt der EP-0 603 587 bzw. der US-A-5 399 253 verwiesen.6, and as shown in dashed lines in FIG. 4, which are preferably controllable independently of one another in rows with respect to gas flow. This is shown schematically in FIG. 4 with control valves 51, which are provided in a connection between the lines 49 and a gas tank arrangement 53 with a working gas, such as argon and / or with a reactive gas. With regard to the operation and design of the magnetic magnet rollers 43, reference is once again made in full to the disclosure content of EP-0 603 587 and US-A-5 399 253.
In Fig. 6 ist vereinfacht und ausschnittsweise eine Aufsicht auf eine erfindungsgemässe Magnetronquelle gemass Fig. 4 dargestellt. Wie bereits anhand von Fig. 4 dargestellt, ist unter jeder der Targetanordnungen 3 ein Permanentmagnet-Rahmen 47 vorgesehen. Bevorzugterweise ist der Magnetrahmen 47 so ausgebildet, dass, betrachtet in einer Raumrichtung, beispielsweise gemass Hz von Fig. 4, das durch den Permanentmagnet-Rahmen erzeugte Magnetfeld sich, wie in Fig. 6 mit x dargestellt, entlang den Längsseiten der Targetanordnungen 3 örtlich ändert. In bevorzugter Ausführungsform sind die an den Längsschenkeln 47lx und 4712 des Rahmens 47 vorgesehenen Magnete in mehrere, wie in Fig. 6 dargestellt beispielsweise in vier, Zonen eingeteilt. Im Diagramm in Fig. 6 ist qualitativ über der Koordinate x die Feldstärke der in den einzelnen Zonen Z1 bis Z4 vorgesehenen Permanentmagnete dargestellt und mithin die Feldstärkenverteilung in Richtung x. Im weiteren sind in den jeweiligen Zonen Z die Permanentmagnet-Dipolrichtungen eingezeichnet.FIG. 6 shows a simplified and partial view of a magnetron source according to the invention as shown in FIG. 4. As already shown with reference to FIG. 4, a permanent magnet frame 47 is provided under each of the target arrangements 3. The magnetic frame 47 is preferably designed such that, viewed in a spatial direction, for example in accordance with H z from FIG. 4, the magnetic field generated by the permanent magnet frame, as shown in FIG. 6 with x, is local along the long sides of the target arrangements 3 changes. In a preferred embodiment, the magnets provided on the longitudinal legs 471 x and 471 2 of the frame 47 are divided into several zones, as shown in FIG. 6, for example, into four zones. In the diagram in FIG. 6, the field strength of the permanent magnets provided in the individual zones Z 1 to Z 4 is shown qualitatively over the coordinate x and thus the field strength distribution in the direction x. Furthermore, the permanent magnet dipole directions are shown in the respective zones Z.
Bevorzugterweise sind an den Schenkel 47lx 2 dieselben Permanentmagnet-Zonen vorgesehen, jedoch bezüglich der Diagonale Dt der Langtarget-Anordnung 3 spiegelbildlich.The same permanent magnet zones are preferably provided on the legs 471 x 2 , but with mirror images with respect to the diagonal D t of the long target arrangement 3.
Durch gezielte Auslegung der örtlichen Magnetfeldverteilung, welche durch die Permanentmagnet-Rahmen 47 an den Targetanordnungen 3 erzeugt werden, wird es möglich, die Bahn der umlaufenden Elektronen zu optimieren und damit Lage und Ausbildung der Erosionsgräben an den einzelnen Targetanordnungen . Dies insbesondere unter Berücksichtigung der durch Abdriftkräfte be-
wirkten Bahnverformungen. An den Breitseiten der Targetrahmen 47 sind Permanentmagnet-Zonen ZB vorgesehen, welche bevorzugterweise der Zone Z2 entsprechen. Wie bereits erwähnt, ist auch eine Einzeltarget-Quelle gemass Fig. 4 und 6 und 7 erfinde- risch.Through targeted design of the local magnetic field distribution, which are generated by the permanent magnet frames 47 on the target arrangements 3, it is possible to optimize the path of the rotating electrons and thus the location and formation of the erosion trenches on the individual target arrangements. This takes into account, in particular, the worked path deformations. Permanent magnet zones Z B , which preferably correspond to zone Z 2 , are provided on the broad sides of the target frame 47. As already mentioned, a single target source according to FIGS. 4 and 6 and 7 is also inventive.
Das örtlich in x-Richtung variierende Magnetfeld H über den jeweiligen Targetanordnungen 3, das zusätzlich, aufgrund der Magnet-Walzen-Pendelbewegung, auch zeitlich variiert, wird durch Wahl der Feldstärke der vorgesehen Permanentmagnete, wie in den Zonen Z1( Z2, Z4 und/oder durch Wahl der räumlichen Dipol-The magnetic field H which varies locally in the x-direction above the respective target arrangements 3 and which, due to the magnetic roller pendulum movement, also varies in time, is determined by the choice of the field strength of the permanent magnets provided, as in zones Z 1 ( Z 2 , Z 4 and / or by choosing the spatial dipole
Orientierung, wie in der Zone Z3, und/oder der Lage (Abstand von der Targetanordnung) gezielt ausgelegt.Orientation, as in zone Z 3 , and / or the position (distance from the target arrangement) specifically designed.
Wie erwähnt wurde, werden bevorzugterweise an jeder der an der erfindungsgemässen Sputterquelle vorgesehenen Targetanordnungen 3 mindestens zwei Permanentmagnet-Walzen 43 vorgesehen. Eine solche ist in Fig. 7 dargestellt.As has been mentioned, at least two permanent magnet rollers 43 are preferably provided on each of the target arrangements 3 provided on the sputter source according to the invention. Such is shown in Fig. 7.
Bevorzugterweise werden auch an den Walzen 43 unterschiedliche Permanentmagnet-Zonen, z.B. Z bis Z ' 4 , vorgesehen. In Fig. 7 ist qualitativ der Verlauf des örtlich variierenden Permanent- magnet-Feldes HR (x) entlang der vorgesehenen Walzen, und wie bevorzugterweise ausgelegt, dargestellt.Different permanent magnet zones, for example Z to Z ' 4 , are preferably also provided on the rollers 43. 7 qualitatively shows the course of the locally varying permanent magnet field H R (x) along the intended rollers, and as preferably designed.
An der erfindungsgemässen Quelle wird mithin die örtliche und zeitliche Verteilung der Sputterrate durch gezielte örtliche und/oder zeitliche Verteilung der elektrischen Speisung der einzelnen Targetanordnungen und/oder gezielte örtliche und/oder zeitliche Variation des Magnetron-Magnetfeldes an den einzelnen Targetanordnungen und/oder durch gezielte örtliche und/oder zeitliche Variation bzw. Auslegung der Gaseindüsungs- Verhältnisse an den Einlassöffnungen 49 optimiert. In der be-
vorzugten Ausführungsform, die anhand der Fig. 4 bis 7 erläutert wurde, werden bevorzugterweise alle diese Grossen kombiniert ausgenützt, um die Beschichtungsdicken-Verteilung an einem sputterzubeschichtenden Substrat, insbesondere einem pla- nen, gezielt auszulegen, insbesondere bevorzugt homogen auszubilden.At the source according to the invention, the local and temporal distribution of the sputtering rate is therefore determined by targeted local and / or temporal distribution of the electrical supply of the individual target arrangements and / or targeted local and / or temporal variation of the magnetron magnetic field on the individual target arrangements and / or by targeted local and / or temporal variation or design of the gas injection conditions at the inlet openings 49 optimized. In the preferred embodiment, which was explained with reference to FIGS. 4 to 7, all these sizes are preferably used in combination in order to selectively design the coating thickness distribution on a sputter-coated substrate, in particular a tarpaulin, particularly preferably to form it homogeneously.
In Fig. 8 ist schematisch eine erfindungsgemässe Sputterbeschichtungsanlage 50 mit einer erfindungsgemässen Sputterbe- schichtungskammer 60 dargestellt, darin, ebenfalls schematisch dargestellt, einer erfindungsgemässen MagnetronsputterquelleFIG. 8 schematically shows a sputter coating system 50 according to the invention with a sputter coating chamber 60 according to the invention, therein, likewise schematically shown, a magnetron sputter source according to the invention
10. Die schematisch dargestellte Quelle 10 weist, wie in einer bevorzugten Ausführungsform realisiert, sechs Targetanordnungen 3 auf und ist im weiteren bevorzugterweise ausgebildet, wie anhand der Fig. 4 bis 7 erläutert wurde. Die erfindungsgemässe Quelle mit ihren Targetanordnungen wird durch unabhängige elektrische - gegebenenfalls modulierbare - Speisungen betrieben, wie im Block 62 dargestellt ist. Im weiteren werden die - gegebenenfalls modulierbaren - Gaseindüsverhältnisse insbesondere entlang der Längsausdehnungen der Targetanordnungen, wie mit dem Stellventilblock 64 dargestellt, selektiv eingestellt, um ein Arbeite- und/oder Reaktivgas aus dem Gastank 53 in den Prozessraum einzulassen.10. As shown in a preferred embodiment, the schematically illustrated source 10 has six target arrangements 3 and is furthermore preferably configured as explained with reference to FIGS. 4 to 7. The source according to the invention with its target arrangements is operated by independent electrical - possibly modulatable - feeds, as shown in block 62. Furthermore, the gas injection conditions, which can be modulated, are selectively adjusted, in particular along the longitudinal dimensions of the target arrangements, as illustrated with the control valve block 64, in order to admit a working and / or reactive gas from the gas tank 53 into the process space.
Mit dem Antriebsblock 65 ist der - gegebenenfalls Weg/Zeitmodulierbare - Antrieb für die an der erfindungsgemä- ssen Quelle vorgesehenen Permanentmagnet-Walzen dargestellt, woran, bevorzugt selektiv, die erwünschten Walzen- Pendelbewegungen eingestellt werden können.The drive block 65 represents the drive, which may be path / time modulable, for the permanent magnet rollers provided on the source according to the invention, by means of which the desired roller pendulum movements can be set, preferably selectively.
In der erfindungsgemässen Kammer 60 ist ein Substratträger 66 vorgesehen, insbesondere zur Aufnahme eines planen, zu be-
schichtenden Substrates . Aufgrund der durch die erfindungsgemässe Quelle gegebenen Möglichkeiten, die zeitliche und örtliche Verteilung des von der Quelle 10 abgestäubten Materials optimal einzustellen, insbesondere eine über die Zeit gemittelte, gleichförmige Verteilung, insbesondere auch in den Quellenrandbereichen, ist es möglich, das Verhältnis VQS der Sputterflache FQ der Quelle zur zu beschichtenden Substrat-Oberfläche Fs überraschend klein auszulegen, vorzugsweise zuA substrate carrier 66 is provided in the chamber 60 according to the invention, in particular for receiving a plan to be loaded. layering substrate. Due to the possibilities given by the source according to the invention to optimally adjust the temporal and spatial distribution of the material dusted by the source 10, in particular a uniform distribution averaged over time, in particular also in the edge regions of the source, it is possible to determine the ratio V QS of the sputtering area F Q of the source for the substrate surface to be coated F s to be designed surprisingly small, preferably to
VQS < 3,V QS <3,
vorzugsweisepreferably
VQS< 2,V QS <2,
und gar vorzugsweiseand preferably
1,5 < VQS < 2.1.5 <V QS <2.
Dieses Mass sagt aus, dass das von der Quelle abgestäubte Mate- rial mit hohem Wirkungsgrad ausgenützt wird, indem nur entsprechend wenig des abgestäubten Materials nicht auf die zu beschichtende Substratfläche auftrifft . Dies wird insbesondere noch dadurch verstärkt, dass der Abstand D - wegen der grossflächig verteilten Plasmabelegung der Quelle - zwischen sput- terzubeschichtender Substratoberfläche und Neufläche der Magnetronquelle 10 klein gewählt werden kann, im wesentlichen gleich der Breite B (siehe Fig. 4) der Sputterflachen der Targetanordnungen 3 und vorzugsweise zuThis measure indicates that the material dusted from the source is used with a high degree of efficiency by only correspondingly little of the dusted material not hitting the substrate surface to be coated. This is particularly reinforced by the fact that the distance D between the substrate surface to be sputter-coated and the new surface of the magnetron source 10 can be chosen to be small, owing to the large-area distribution of the source plasma, essentially equal to the width B (see FIG. 4) of the sputtering surfaces Target arrangements 3 and preferably too
60 mm < D < 250 mm60 mm <D <250 mm
vorzugsweise zu 80 mm < D < 160 mm.
Durch die Realisierbarkeit der erwähnten kleinen Abstände D ergibt sich eine hohe Beschichtungsrate bei hoher Zerstäubungs- ausnutzung, somit eine höchst wirtschaftliche Beschichtung.preferably 80 mm <D <160 mm. The feasibility of the small distances D mentioned results in a high coating rate with high atomization utilization, and thus a highly economical coating.
An der in Fig. 8 dargestellten Anlage werden mit den Generato- ren 62 bevorzugterweise die seitlich aussersten Targetanordnungen mit einer höheren Sputter-Leistung betrieben, vorzugsweise mit 5 bis 35 % mehr, besonders bevorzugt mit 10 bis 20 % mehr Sputterleistung als die weiter innen gelegenen Targetanordnungen. Weiter werden bevorzugterweise die an der Quelle 10 gemass Fig. 4 vorgesehenen Permanetmagnet-Walzen in einem Pendelbetrieb mit einer Pendelfrequenz von 1 bis 4 Hz, vorzugsweise mit ca. 2 Hz , betrieben.In the system shown in FIG. 8, the generators 62 are preferably used to operate the outermost target arrangements at the side with a higher sputtering capacity, preferably with 5 to 35% more, particularly preferably with 10 to 20% more sputtering capacity than the ones located further inside Target arrangements. Furthermore, the permanent magnet rollers provided at the source 10 according to FIG. 4 are preferably operated in a pendulum mode with a pendulum frequency of 1 to 4 Hz, preferably at approximately 2 Hz.
Die erfindungsgemässe Magnetronsputterquelle, Sputterkammer bzw. Anlage, insbesondere im bevorzugten Betrieb, eignen sich insbesondere zur Magnetron-Sputterbeschichtung grossflächiger, insbesondere planer Substrate, mit einer Beschichtung hoher Qualität, mit erwünschter Verteilung der Beschichtungsdicke, insbesondere mit einer homogenen Dickenverteilung bei hoher Wirtschaftlichkeit. Dies massgeblich basierend auf den gross- flächig gleichverteilten Prozessbedingungen an der erfindungs- gemässen Quelle. Die Erfindung kann damit für die Beschichtung grossflächiger Halbleiter-Substrate, aber insbesondere für die Beschichtung von Substraten von Flachdisplay-Pannels, insbesondere von TFT- bzw. PDP-Pannel, eingesetzt werden. Dabei wird die Erfindung insbesondere eingesetzt für die reaktive Beschichtung der erwähnten Substrate insbesondere mit ITO- Schichten oder zur Metallbeschichtung der erwähnten Substrate durch nicht reaktives Sputterbeschichten. Es seien nachfolgend beispielsweise bevorzugte Auslegungsgrδssen an der erfindungs- gemässen Quelle bzw. Kammer bzw. Anlage zusammengestellt.
1. GeometrieThe magnetron sputter source, sputter chamber or system according to the invention, in particular in preferred operation, are particularly suitable for magnetron sputter coating of large-area, in particular planar substrates, with a coating of high quality, with a desired distribution of the coating thickness, in particular with a homogeneous thickness distribution with high economy. This is largely based on the process conditions distributed uniformly over a large area at the source according to the invention. The invention can thus be used for the coating of large-area semiconductor substrates, but in particular for the coating of substrates of flat display panels, in particular of TFT or PDP panels. The invention is used in particular for the reactive coating of the substrates mentioned, in particular with ITO layers, or for the metal coating of the substrates mentioned by means of non-reactive sputter coating. In the following, for example, preferred design variables are compiled on the source or chamber or system according to the invention. 1. Geometry
1.1 An der Quelle1.1 At the source
• Seitlicher Abstand d gemass Fig. 4: höchstens 15 %, vorzugsweise höchstens 10 %, vorzugsweise gar höchstens 7 % der Breitenausdehung B der Targetanordnungen und/oder• Lateral distance d according to FIG. 4: at most 15%, preferably at most 10%, preferably at most 7% of the width dimension B of the target arrangements and / or
1 mm < d < 230 mm, vorzugsweise1 mm <d <230 mm, preferably
7 mm < d < 20 mm.7 mm <d <20 mm.
• Neuflächen der Targetanordnungen entlang einer Ebene;New surfaces of the target arrangements along a plane;
• Breite B der Targetanordnungen:Width B of the target arrangements:
60 mm < B < 350 mm, vorzugsweise60 mm <B <350 mm, preferably
80 mm < B < 200 mm.80 mm <B <200 mm.
• Länge der Targetanordnungen L: mindestens B, vorzugsweise wesentlich länger, vorzugsweise• Length of the target arrangements L: at least B, preferably much longer, preferably
400 mm < L < 2000 mm.400 mm <L <2000 mm.
• Endbereiche der Targets: z.B. halbkreisförmig.End areas of the targets: e.g. semicircular.
1.2 Quelle/Substrat:1.2 Source / substrate:
• Verhältnis VQS der Ausdehnung der Sputterflache FQ zu Ausdehnung der zu beschichtenden Substrat-Oberfläche Fs:Ratio V QS of the expansion of the sputtering area F Q to expansion of the substrate surface F s to be coated:
VQS < 3 , vorzugsweiseV QS <3, preferably
VQS < 2, vorzugsweise garV QS <2, preferably at all
1,5 < V^ < 2.
• Kleinster Abstand Quellen-Neuflächen/Beschichtungsflache D:1.5 <V ^ <2. • Smallest distance between new source area and coating area D:
60 mm < D < 250 mm, vorzugsweise60 mm <D <250 mm, preferably
80 mm < D < 160 mm.80 mm <D <160 mm.
• Substratgrössen: beispielsweise 750 x 630 mm2, beschichtet mit einer Quelle mit einer Sputterflache von: 920 x 900 mm2, oder• Substrate sizes: for example 750 x 630 mm 2 , coated with a source with a sputtering area of: 920 x 900 mm 2 , or
Substratgrösse : 1100 x 900 mm2 mit einer Sputterflache der Quelle von: 1300 x 1200 mm2.Substrate size: 1100 x 900 mm 2 with a sputtering area of the source of: 1300 x 1200 mm 2 .
1.3 Kühlung :1.3 Cooling:
Verhältnis Sputterflache zu Kühlfläche Vsκ:Ratio of sputter area to cooling surface V sκ :
1,2 < Vsκ < 1,5.1.2 <V sκ <1.5.
2. Betriebsgrάssen2. Company sizes
• Targettemperatur T:Target temperature T:
40°C < T < 150°C,40 ° C <T <150 ° C,
vorzugsweisepreferably
60°C < T < 130°C.60 ° C <T <130 ° C.
• Sputterleistung pro Sputterflächen-Einheit : 10 bis 30 W/cm2,Sputtering power per sputtering surface unit: 10 to 30 W / cm 2 ,
vorzugsweise 15 bis 20 W/cm2.preferably 15 to 20 W / cm 2 .
• Seitlich ausserste Targetanordnungen jeweils vorzugsweise mit 5 bis 35 % mehr Sputterleistung, vorzugsweise mit 10 bis 20 % mehr Sputterleistung pro Flächeneinheit.
• Pendelfrequenz der Magnetwalzen: 1 bis 4 Hz, vorzusgsweise ca. 2 Hz.Laterally outermost target arrangements each preferably with 5 to 35% more sputtering power, preferably with 10 to 20% more sputtering power per unit area. • Pendulum frequency of the magnetic rollers: 1 to 4 Hz, preferably approx. 2 Hz.
Resultate : Es wurden folgende Beschichtungsraten erreicht :Results: The following coating rates were achieved:
• ITO: 20 Ä/sec.ITO: 20 Ä / sec.
« AI: 130 bis 160 Ä/sec.AI: 130 to 160 Ä / sec.
• Cr: 140 Ä/sec.• Cr: 140 Ä / sec.
• Ti : 100 Ä/sec.• Ti: 100 Ä / sec.
• Ta: 106 Ä/sec.• Ta: 106 Ä / sec.
In Fig. 9 ist das Erosionsprofil an einer 15 cm breiten Sput- terflache einer der Targetanordnungen an der erfindungsgemässen Quelle wiedergegeben. Es ist der usserst gleichförmige Abtrag erkenntlich, woran die "race tracks" bzw. Erosionsgräben kaum mehr erkenntlich sind.9 shows the erosion profile on a 15 cm wide sputtering surface of one of the target arrangements on the source according to the invention. The extremely uniform removal is recognizable, by which the "race tracks" or erosion trenches can hardly be recognized.
In Fig. 10 ist an einer erfindungsgemässen Quelle mit fünf Tar- getanordnungen, je mit Sputterflachen einer Breite B von 150 mm, die resultierende Beschichtungsraten-Verteilung bei ITO- Sputterbeschichten dargestellt . Bei dieser Verteilung ergeben sich an einem Substrat, angeordnet in einer Distanz D von 120 mm von der Quellenfläche, Schichtdicken-Abweichungen von nur- mehr ± 3,8 %.10 shows the resulting coating rate distribution for ITO sputter coatings on a source according to the invention with five target arrangements, each with sputtering areas with a width B of 150 mm. With this distribution, layer thickness deviations of only ± 3.8% result on a substrate, arranged at a distance D of 120 mm from the source surface.
In Fig. 11 ist die resultierende Schichtdicken-Verteilung an einem grossflächigen Glassubstrat dargestellt, welches wie folgt beschichtet wurde:11 shows the resulting layer thickness distribution on a large-area glass substrate which was coated as follows:
- totale Sputterleistung ptot: 2 kW.
- Sputterzeit : 100 sec .- total sputtering power p tot : 2 kW. - Sputtering time: 100 sec.
- Sputterrate R: 26 Ä/sec, relative: 13 Ä/sec. kW.- Sputter rate R: 26 Ä / sec, relative: 13 Ä / sec. kW.
- Quelle mit sechs Targetanordnungen, woran die aussersten Anordnungen mit 10 bzw. 15 % höherer Sputterleistung betrieben wurden (p17 p6) :- Source with six target arrangements, on which the outermost arrangements were operated with 10 or 15% higher sputtering power (p 17 p 6 ):
- Substratgrösse : 650 x 550 mm 2'- substrate size: 650 x 550 mm 2 '
In Fig. 11 sind die Randbereiche des Substrates, welche über den mit höherer Leistung betriebenen Targetanordnungen lagen, angeschrieben. Es ergeben sich bei ITO-Beschichtung der gemit- telt 267 nm dicken Schicht Schichtdicken-Abweichungen von + 6,3In Fig. 11, the edge areas of the substrate, which were above the target arrangements operated at higher power, are written. With ITO coating, the averaged 267 nm thick layer results in deviations of layer thickness of + 6.3
*0 . * 0.
Mit der vorliegenden Erfindung werden insbesondere folgende Nachteile vorbekannter Sputterquellen, insbesondere für grossflächige Werkstückbeschichtungen, vermieden:The present invention in particular avoids the following disadvantages of known sputter sources, in particular for large-area workpiece coatings:
• Weil erfindungsgemäss eine gleichförmige Verteilung der Prozessbedingungen über einer grossen Magnetronsputterflache möglich ist, mit hoher Beschichtungsrate und hoher Sputterra- ten- usnutzung, ergibt sich eine hohe Wirtschaftlichkeit für die Beschichtung grossflächiger Substrate, gegebenenfalls vieler Einzelsubstrate gleichzeitig.• Because, according to the invention, a uniform distribution of the process conditions over a large magnetron sputtering area is possible, with a high coating rate and high sputtering rate utilization, there is a high level of economy for the coating of large-area substrates, possibly many individual substrates at the same time.
• Weil an der erfindungsgemässen Quelle grossflächig gleichzeitig abgestäubt wird, ergibt sich eine bessere Schichtdickenverteilung am Substrat sowie eine Verhinderung von Störfunken-Bildung (arcing) .• Because the source according to the invention is sputtered over a large area at the same time, there is a better layer thickness distribution on the substrate and a prevention of sparks (arcing).
• Weil das Problem der Reaktivgas-Verteilung und/oder der Targeterosions-Verteilung in homogenisierendem Sinne gelöst ist,
können zu beschichtende Substrate wesentlich näher an der Quelle positioniert werden und mit wesentlich grösseren zu beschichtenden Flächen relativ zur Quellenfläche, was die Wirtschaftlichkeit einer Sputterbeschichtungsanlage mit einer erfindungsgemässen Quelle wesentlich erhöht.Because the problem of reactive gas distribution and / or target erosion distribution is solved in a homogenizing sense, can be positioned much closer to the source to be coated and with much larger areas to be coated relative to the source area, which significantly increases the economy of a sputter coating system with a source according to the invention.
• Das Problem an grossflächigen Targets entstehender Plasmadichte-Unterschiede zwischen Targetmitte und Targetperipherie, aufgrund fehlender Anoden in Targetmitte, wird behoben.• The problem of plasma density differences between target center and target periphery arising on large-area targets due to the lack of anodes in the target center is eliminated.
• Die Quelle kann flexibel durch modulare Targetanordnungen den jeweiligen Grossenanforderungen angepasst werden.• The source can be flexibly adapted to the respective large requirements using modular target arrangements.
• Das Problem bei grossflächigen Targets, dass nämlich der Pro- zess in Targetmitte Reaktivgas-verarmt , wird gelöst, da Gas- einlässe 49 über der eigentlichen Quellenfläche verteilt vorgesehen sind.• The problem with large-area targets, namely that the process in the center of the target is depleted of reactive gas, is solved since gas inlets 49 are provided distributed over the actual source area.
• Weil (siehe Fig. 4) der Trägersockel (41) zwischen Prozessvakuum und Atmosphärendruck liegt, ist es nicht länger nötig, auch diese Belastung aufnehmende, dicke Kühlplatten (23) vorzusehen, womit die Quelle weniger aufwendig ist und insbesondere ein besserer Durchgriff der Felder der unter der Target- anordnung (3) vorgesehenen Magnetanordnungen (47, 43) realisiert wird.• Because (see Fig. 4) the support base (41) lies between the process vacuum and atmospheric pressure, it is no longer necessary to provide thick cooling plates (23) which absorb this load, which means that the source is less expensive and in particular a better penetration of the fields of the magnet arrangements (47, 43) provided under the target arrangement (3).
Durch selektive Ansteuerung folgender Verteilungen:Through selective control of the following distributions:
• zeitlich und/oder örtlich, elektrischer Betrieb der Targetanordnungen• Time and / or location, electrical operation of the target arrangements
• zeitlich und/oder örtlich, magnetischer Betrieb der Targetanordnungen
• zeitlich und/oder örtlich, Gaseinlass• time and / or location, magnetic operation of the target arrangements • time and / or location, gas inlet
ist es möglich, an grossflächigen Substraten die resultierende Schichtdickenverteilung optimal einzustellen, insbesondere homogen einzustellen.it is possible to optimally adjust the resulting layer thickness distribution on large-area substrates, in particular to adjust it homogeneously.
• Aufgrund der vorgesehenen Bajonettverschlüsse im Zusammenwirken mit dem Festspannen der Targetanordnungen über den Kühl- mediumsdruck ist ein ausserst einfaches und schnelles Auswechseln der Targetanordnungen möglich und eine ausserst effiziente, grossflächige Kühlung.• Due to the provided bayonet locks in conjunction with the clamping of the target arrangements via the cooling medium pressure, the target arrangements can be exchanged very simply and quickly and an extremely efficient, large-area cooling is possible.
• Aufgrund der unterhalb der Sputterflachen vorgesehenen Bajonett-Halterungen sind keine, insbesondere keine Sputtermate- rial-fremden, Halteorgane vom Prozessraum her zugänglich.
• Due to the bayonet mountings provided underneath the sputtering surfaces, no holding elements, especially those not related to sputtering material, are accessible from the process space.