EP1495152A2 - Beschichtungsanlage - Google Patents

Beschichtungsanlage

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EP1495152A2
EP1495152A2 EP03746233A EP03746233A EP1495152A2 EP 1495152 A2 EP1495152 A2 EP 1495152A2 EP 03746233 A EP03746233 A EP 03746233A EP 03746233 A EP03746233 A EP 03746233A EP 1495152 A2 EP1495152 A2 EP 1495152A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
substrate
space
coating system
atomizing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03746233A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Geisler
Albert Kastner
Bernd Szyszka
Andreas Pflug
Niels Malkomes
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Applied Materials GmbH and Co KG
Original Assignee
Applied Films GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1495152A2 publication Critical patent/EP1495152A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0089—Reactive sputtering in metallic mode
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0068—Reactive sputtering characterised by means for confinement of gases or sputtered material, e.g. screens, baffles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

Definitions

  • the invention relates to a coating system with a recipient having a suction and a gas supply, in which a nebulizer cathode and a substrate holder are accommodated and in which the recipient is divided into a cathode space and a substrate space by a screen arranged between the atomizer cathode and the substrate holder is.
  • a coating system of the above type is the subject of EP 0 795 623.
  • argon and oxygen process gas flows near the substrate into the substrate space and is removed above the screen via a suction device on the cathode space.
  • a measuring device designed as a lambda probe in the cathode compartment serves to monitor the oxygen content in the cathode compartment and to control the performance of the atomizing cathode based on the oxygen content.
  • the joint supply of the reactive gas and the process gas and the removal of the gas via a suction at the cathode compartment cannot prevent the target of the atomizing cathode from being exposed to a considerable oxygen concentration.
  • the diaphragm according to EP 0 795 623 has the sense of preventing the layer quality from being reduced by oblique coating.
  • the invention is based on the problem of designing a coating installation of the type mentioned at the outset in such a way that a sufficiently high concentration of reactive gas is possible in order to enable the layer which forms to react completely, without at the same time undesirably causing the target surface to react with the reactive gas reacts and this leads to a reduction in the performance of the coating system.
  • both the cathode space and the substrate space have direct suction and each have their own gas supply and that the gas supply to the cathode space is connected to a process gas source and the gas supply to the substrate space is connected to a reactive gas source.
  • This design of the coating system results in largely independent gas flows in the cathode space and the substrate space.
  • the reactive gas is shielded from the sputtering process by the diaphragm.
  • the reactive gas usually oxygen - reach the cathode compartment, so that there is no reaction of the target surface and thus a reduction in the coating performance of the coating system.
  • the flow of the particles forming the layer and originating from the target surface reaches the substrate through the opening of the diaphragm.
  • the opening in the aperture can be large, so that the particles originating from the target surface are little obstructed on the way to the substrate without, conversely, an undesirable amount of oxygen reaching the sputtering cathode and becoming one there Oxidation is coming. It was found that the dimming effect of the aperture for the sputtered particles can be overcompensated by the possible rate increase at the target due to the lower reactive gas content there. Particularly significant increases in the specific coating performance were obtained with the coating system according to the invention in the production of transparent SnO and ZnO layers with reactively operated DC atomizing cathodes.
  • the gas flows are separated particularly well if the cathode compartment and the substrate compartment are each connected to their own vacuum pumping station.
  • the anode is arranged in the substrate space covered by the screen between the screen and the substrate holder.
  • Such an anode has the effect that the plasma flow extends through the aperture opening over the coating location of the substrate in the direction of the slot lock. This can also improve the layer properties. In particular, a high layer density can be achieved with such an anode arrangement. Since the anode is covered by the screen, there is no significant coating of the anode.
  • the anode can be designed in the usual way. It is particularly advantageous if the anode is heated pipes is formed. Since SnO and ZnO have a relatively high conductivity, the coating of the anode which inevitably takes place during the coating process of the substrate and the resulting loss of activity in such coating materials is irrelevant. However, provision can also be made for the anode, surrounded by a weak magnetic field, to be set in pulses to a negative potential in order to keep it conductive and clean.
  • the anode also forms the screen.
  • the cathode is a double magnetron cathode.
  • the cathode is a rotary cathode.
  • a measuring device for reactive gas is arranged in the cathode compartment and the coating system has a power control of the atomizing cathode depending on the concentration of the reactive gas in the cathode compartment.
  • the ratio of the aperture opening length of the aperture measured in the transport direction of the substrate to the width of the atomizing cathode measured in the transport direction of the substrate is less than 0.75, preferably 0.5 to 0.3.
  • the drawing shows in section a coating system according to the invention.
  • This has a recipient 1, which is subdivided into a cathode space 3 and a substrate space 4 by an aperture 2.
  • an atomizer cathode 5 which is electrically insulated from the recipient 1 and which in this exemplary embodiment is designed as a magnetron cathode and has a target 6 on the side of the screen 2.
  • An anode 7 is arranged in the substrate space 4 below the aperture 2 and covered by it.
  • a gas supply 8 which is connected to a process gas source 9.
  • a suction 10 with a vacuum pumping station 11 is arranged on the opposite side of the cathode chamber 3.
  • the substrate space 4 there is a substrate holder 12 with a substrate 13 to be coated.
  • the ratio of the aperture opening length of the aperture 2 measured in the transport direction of the substrate 13 to the width of the atomizing cathode 5 measured in the transport direction of the substrate 13 is less than 0.75, preferably 0.5 up to 0.3.
  • the substrate space 4 has a gas supply 14 on the same side as the cathode space 3, which has a connection to a reactive gas source 15.
  • a suction 16 with a vacuum pumping station 17 is provided opposite the gas supply 14.
  • a measuring device designed as a lambda probe is arranged in the cathode chamber 3.
  • device 18 arranged with a probe heater 20, which has a connection to a power control 19 of the atomizing cathode 5.

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Abstract

Bei einer Beschichtungsanlage ist ein Rezipient (1) durch eine Blende (2) in einen Kathodenraum (3) und einen Substratraum (4) unterteilt. Sowohl der Kathodenraum (3) als auch der Substratraum (4) weisen eine unmittelbare Absaugung (10, 16) und jeweils eine eigene Gaszuführung (8, 14) auf. Die Gaszuführung (8) in den Kathodenraum (3) ist mit einer Prozessgasquelle (9) und die Gaszuführung (14) für den Substratraum (4) mit einer Reaktivgasquelle (15) verbunden.

Description

Beschreibung
Beschichtungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage mit einem eine Absaugung und eine GasZuführung aufweisenden Rezi- pienten, in welchem eine Zerstäuberkathode und ein Substrathalter untergebracht sind und bei der der Rezi- pient durch eine zwischen der Zerstäuberkathode und dem Substrathalter angeordnete Blende in einen Kathodenraum und einen Substratraum unterteilt ist.
Eine Beschichtungsanlage der vorstehenden Art ist Gegenstand der EP 0 795 623. Bei der in dieser Schrift gezeigten Beschichtungsanlage strömt aus Argon und Sauerstoff bestehendes Prozessgas nahe des Substrates in den Substratraum und wird oberhalb der Blende über eine Absaugung am Kathodenraum abgeführt. Eine als Lambda-Sonde ausgeführte Messeinrichtung im Kathodenraum dient dazu, den Sauerstoffgehalt im Kathodenraum zu überwachen und nach dem Sauerstoffgehalt die Leistung der Zerstäuberkathode zu steuern. Durch die gemeinsame Zuführung des Reaktivgases und des Prozessgases und durch die Abführung des Gases über eine Absaugung am Kathodenraum lässt sich nicht vermeiden, dass das Target der Zerstäuberkathode einer beträchtlichen Sauerstoffkonzentration ausgesetzt ist. Dadurch kommt es zu einer unerwünschten Oxidation des Targets, wodurch sich anstelle einer erwünschten hohen metallischen Oxidationsrate eine niedrige oxidische Oxidationsrate ergibt. Die Blende gemäß der EP 0 795 623 hat den Sinn, eine Minderung der Schichtqualität durch Schrägbeschichtung zu unterbinden. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Beschichtungsanlage der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass eine ausreichend hohe Konzentration von Reaktivgas möglich ist, um eine vollständige Reaktion der sich bildenden Schicht zu ermöglichen, ohne dass dadurch zugleich die Targetoberfläche in unerwünschter Weise mit dem Reaktivgas reagiert und es dadurch zu einer Leistungsverminderung der Beschichtungsanlage kommt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sowohl der Kathodenraum als auch der Substratraum eine unmittelbare Absaugung und jeweils eine eigene Gaszuführung aufweisen und dass die Gaszuführung in den Kathodenraum mit einer Prozessgasquelle und die Gaszuführung für den Substratraum mit einer Reaktivgasquelle Verbindung hat.
Durch diese Gestaltung der Beschichtungsanlage kommt es zu weitgehend unabhängigen Gasströmungen in dem Kathodenraum und dem Substratraum. Das Reaktivgas wird erfindungsgemäß durch die Blende vom Sputtervorgang abgeschirmt. Dadurch gelangen nur noch unbedeutende Mengen des Reaktivgases - im Regelfall Sauerstoff - in den Kathodenraum, so dass es zu keiner Reaktion der Targetoberfläche und damit einer Verringerung der Beschichtungs- leistung der Beschichtungsanlage kommt. Der Fluss der die Schicht bildenden, von der Targetoberfläche stammenden Teilchen gelangt durch die Öffnung der Blende hindurch zum Substrat. Dank der erfindungsgemäßen Ausbildung von zwei separaten Gasströmungen im Rezipienten kann die Öffnung in der Blende groß sein, so dass die von der Targetoberfläche stammenden Teilchen auf dem Weg zum Substrat wenig behindert werden, ohne dass umgekehrt unerwünscht viel Sauerstoff die Zerstäubungskathode erreicht und es dort zu einer Oxidation kommt. Es zeigte sich, dass die Abblendwirkung der Blende für die gesputterten Teilchen sich durch die mögliche Ratenerhöhung am Target aufgrund des dort geringeren Reaktivgasanteils überkompensieren lässt. Besonders deutliche Steigerungen der spezifischen Beschichtungsleistung ergaben sich mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage bei der Erzeugung von transparenten SnO- und ZnO-Schichten mit reaktiv betriebenen DC- Zerstäuberkathoden.
Eine besonders gute Trennung der Gasströme ergibt sich, wenn der Kathodenraum und der Substratraum jeweils mit einem eigenen Unterdruckpumpstand verbunden sind.
Zur weiteren Trennung der beiden Gasströme trägt es bei, wenn sowohl im Kathodenraum als auch im Substratraum die Gaszuführung und die Absaugung an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
Zur weiteren Verbesserung der Schichtqualität trägt es bei, wenn im Rezipienten zwischen der Zerstäuberkathode und dem Substrat eine Anode angeordnet ist.
Der Einfluss des Plasmaglows auf das Schichtwachstum wird möglichst wenig gehemmt, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die Anode im Substratraum von der Blende abgedeckt zwischen der Blende und dem Substrathalter angeordnet ist. Eine solche Anode bewirkt, dass sich der Plasmaglow durch die Blendenöffnung hindurch über die Beschichtungsstelle des Substrates hinweg in Richtung der Schlitzschleuse erstreckt. Hierdurch lassen sich auch die Schichteigenschaften verbessern. Insbesondere ist durch eine solche Anodenanordnung eine hohe Schichtdichte zu erreichen. Da die Anode von der Blende abgedeckt ist, kommt es zu keiner nennenswerten Beschichtung der Anode.
Die Anode kann auf übliche Weise ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anode durch zwei unbe- heizte Rohre gebildet ist. Da SnO und ZnO eine relativ hohe Leitfähigkeit besitzen, spielt die während des Be- schichtungsvorganges des Substrates zwangsläufig erfolgende Beschichtung der Anode und ihr damit eintretender Wirkungsverlust bei solchen Beschichtungsmaterialien keine Rolle. Es kann jedoch auch vorgesehen werden, die Anode, umgeben mit einem schwachen Magnetfeld, pulsweise auf negatives Patential zu setzen, um sie leitfähig und sauber zu halten.
Möglich ist es jedoch auch vorzusehen, dass die Anode zugleich die Blende bildet.
Der weiteren Leistungssteigerung der Beschichtungsanlage dient es, wenn die Kathode eine Doppel-Magnetronkathode ist.
Das Target wird möglichst gleichmäßig abgetragen und hat deshalb eine möglichst lange Lebensdauer, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die Kathode eine Rotationskathode ist.
Oxidische und damit geringe Erosionsraten des Targets lassen sich zuverlässig vermeiden, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung im Kathodenraum eine Messeinrichtung für Reaktivgas angeordnet ist und die Beschichtungsanlage eine Leistungsregelung der Zerstäuberkathode in Abhängigkeit von der Konzentration des Reaktivgases in dem Kathodenraum aufweist.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Verhältnis der in Transportrichtung des Substrates gemessenen Blendenöffnungslänge der Blende zur in Transportrichtung des Substrates gemessenen Breite der Zerstäuberkathode weniger als 0,75, vorzugsweise 0,5 bis 0,3 beträgt. Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Zeichnung zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage. Diese hat einen Rezipienten 1, der durch eine Blende 2 in einen Kathodenraum 3 und einen Substratraum 4 unterteilt ist. Im Kathodenraum 3 befindet sich eine elektrisch gegenüber dem Rezipienten 1 isolierte Zerstäuberkathode 5, die bei diesem Ausführungsbeispiel als Magnetronkathode ausgebildet ist und an der Seite der Blende 2 ein Target 6 aufweist. Unterhalb der Blende 2 und von dieser abgedeckt ist im Substratraum 4 eine Anode 7 angeordnet. In der Zeichnung gesehen an der linken Seite des Kathodenraumes 3 befindet sich eine Gaszuführung 8, die mit einer Prozessgasquelle 9 verbunden ist. An der gegenüberliegenden Seite des Kathodenraumes 3 ist eine Absaugung 10 mit einem Unterdruckpumpstand 11 angeordnet.
Im Substratraum 4 befindet sich ein Substrathalter 12 mit einem zu beschichtenden Substrat 13. Das Verhältnis der in Transportrichtung des Substrates 13 gemessenen Blendenöffnungslänge der Blende 2 zur in Transportrichtung des Substrates 13 gemessenen Breite der Zerstäuberkathode 5 beträgt weniger als 0,75, vorzugsweise 0,5 bis 0,3. Genau wie der Kathodenraum 3 hat der Substratraum 4 an der gleichen Seite wie der Kathodenraum 3 eine Gaszuführung 14, die mit einer Reaktivgasquelle 15 Verbindung hat. Weiterhin ist der Gaszuführung 14 gegenüberliegend eine Absaugung 16 mit einem Unterdruckpumpstand 17 vorgesehen.
Zur Regelung des Beschichtungsvorganges ist in dem Kathodenraum 3 eine als Lambdasonde ausgebildete Messeinrich- tung 18 mit einer Sondenheizung 20 angeordnet, welche mit einer Leistungsregelung 19 der Zerstäuberkathode 5 Verbindung hat. Dadurch wird die Konzentration des Reaktivgases in dem Kathodenraum 3 - im Regelfall die Sauerstoffkonzentration - gemessen und danach die Spannung der Zerstäuberkathode 5 geregelt.
Bezugszeichenliste
1 Rezipient
2 Blende
3 Kathodenraum
4 Substratraum
5 Zerstäuberkathode
6 Target
7 Anode
8 Gaszuführung
9 Prozessgasquelle
10 Absaugung
11 Unterdruckpumpstand
12 Substrathalter
13 Substrat
14 Gaszuführung
15 Reaktivgasquelle
16 Absaugung
17 Unterdruckpumpstand
18 Messeinrichtung
19 Leistungsregelung
20 Sondenheizung

Claims

Patentansprüche
1. Beschichtungsanlage mit einem eine Absaugung und eine Gaszuführung aufweisenden Rezipienten (1)/ in welchem eine Zerstäuberkathode (5) und ein Substrathalter (12) untergebracht sind und bei der der Rezipient (1) durch eine zwischen der Zerstäuberkathode (5) und dem Substrathalter (12) angeordnete Blende (2) in einen Kathodenraum
(3) und einen Substratraum (4) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Kathodenraum (3) als auch der Substratraum (4) eine unmittelbare Absaugung (10, 16) und jeweils eine eigene Gaszuführung (8, 14) aufweisen und dass die Gaszuführung (8) in den Kathodenraum (3) mit einer Prozessgasquelle (9) und die Gaszuführung (14) für den Substratraum (4) mit einer Reaktivgasquelle (15) Verbindung hat.
2. Beschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenraum (3) und der Substratraum
(4) jeweils mit einem eigenen Unterdruckpumpstand (11, 17) verbunden sind.
3. Beschichtungsanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Kathodenraum (3) als auch im Substratraum (4) die Gaszuführung (8, 14) und die Absaugung (10, 16) an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
4. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rezipienten (1) zwischen der Zerstäuberkathode (5) und dem Substrat (13) eine Anode (7) angeordnet ist.
5. Beschichtungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (7) im Substratraum (4) von der Blende (2) abgedeckt zwischen der Blende (2) und dem Substrathalter (12) angeordnet ist.
6. Beschichtungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (7) durch zwei unbeheizte Rohre gebildet ist.
7. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (7) zugleich die Blende (2) bildet.
8. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberkathode (5) eine Doppel-Magnetronkathode ist.
9. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberkathode (5) eine Rotationskathode ist.
10. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenraum (3) eine Messeinrichtung (18) für Reaktivgas angeordnet ist und die Beschichtungsanlage eine Leistungsregelung (19) der Zerstäuberkathode (5) in Abhängigkeit von der Konzentration des Reaktivgases in dem Kathodenraum (3) aufweist.
11. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der in Transportrichtung des Substrates (13) gemessenen Blendenöffnungslänge der Blende (2) zur in Transportrichtung des Substrates (13) gemessenen Breite der Zerstäuberkathode (5) weniger als 0,75, vorzugsweise 0,5 bis 0,3 beträgt.
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DE2002116671 DE10216671A1 (de) 2002-04-15 2002-04-15 Beschichtungsanlage
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