EP3833799A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von schichten mit verbesserter uniformität bei beschichtungsanlagen mit horizontal rotierender substratführung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung von schichten mit verbesserter uniformität bei beschichtungsanlagen mit horizontal rotierender substratführung

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EP3833799A1
EP3833799A1 EP19753322.7A EP19753322A EP3833799A1 EP 3833799 A1 EP3833799 A1 EP 3833799A1 EP 19753322 A EP19753322 A EP 19753322A EP 3833799 A1 EP3833799 A1 EP 3833799A1
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EP
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magnetron
substrate
source
turntable
plasma
Prior art date
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Pending
Application number
EP19753322.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Vergöhl
Andreas Pflug
Stefan Bruns
Tobias Zickenrott
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for producing layers with very good uniformity in coating systems with horizontally rotating substrate guidance.
  • certain layer thickness gradients can be set.
  • the particle load is significantly reduced.
  • the service life is significantly increased compared to other processes. Paras tary coatings are reduced.
  • the coating rate is also increased.
  • Optical layers today often consist of a sequence of low and high refractive index layers, in which certain materials are stacked on top of each other. Depending on the function and wavelength range, the layer thicknesses can be between a few nm and several pm. Materials include Si0 2 , Ta 2 0 5 , Nb 2 0 5 , Hf0 2 , Zr0 2 , Ti0 2 . Also cupid phe, hydrogen-containing Si materials (a-Si: H) are used.
  • a suitable layer function is achieved by the suitable stacking of the layer sequence one above the other.
  • This can be, for example, a bandpass filter or an edge filter. Coatings for controlling the phase position of the reflected or transmitted light are also possible.
  • the spectral position of the edge or bandpass is crucial for the function of the coating. It is therefore of great interest to achieve uniform layers on the coating material. In other applications, layers are also required in which a specific layer profile is desired. This is the case for bandpass filters where the central wavelength depends on the position (gradient filter). For example, such gradient filters are used on photosensitive sensors in image processing. These often have a size of a few 10mm and are sensitive in a range from approx. 190 to approx. 11OOnm. A bandpass filter with a corresponding central wavelength would therefore only require about 1/6 of the layer thickness with a 30mm long sensor as with llOOnm. As the sensor area becomes smaller, the layer thickness gradient would increase, so that steeper gradients have to be realized.
  • a certain layer thickness distribution is often required on 3D components such as lenses. This may require a lateral gradient with a certain shape.
  • Filter coatings are then formed with a number of layers less than 4 pm and more than 100 pm, often with thicknesses of less than 1 pm and more than 10 pm, or even several 10 pm.
  • Another requirement is to enter as few defects as possible in the layer. These can be caused, for example, by flaking of chamber walls or elements that are located in the area of the coating. These "parasitic" coatings are formed because the coating source has a relatively wide distribution of the dusted coating material into the room. A large part of the coating is therefore instead of the substrates on the chamber walls, or components that are used for rate correction directly in front of the substrates If the coating is too thick in these areas or if there is thermal stress, particles can be detached from these coatings or the entire parasitic coating, but particles can also be generated directly on the sputtering sources.
  • Particle-less optical layers can be produced with a magnetron sputtering device, such as that made of
  • Low-particle coatings are shown, the cleanliness of the coating is achieved by using cylindrical swelling material (rotatable magnetrons), optionally together with a reactive gas component, applied to the substrate by magnetron sputtering.
  • the layer is applied against gravity in a so-called “sputter-up" process. Since substrate subrotation (satellite movement) is not provided, a layer thickness profile results on the substrate which is inversely proportional to the radius to the center of rotation For example, in an arrangement where the substrate center is 600mm from the center of rotation and the substrate is 200mm in diameter, only about 70% of the layer rate would arrive on the outside compared to the rate on the inside.
  • the layer uniformity is therefore set using masks that restrict the coating flow locally.
  • the mask lies between the source and the substrate; as a rule, close to the substrate, so that the layer distribution is as possible to be able to set exactly.
  • the mask is thus directly in the coating area. Since, in contrast to the moving substrates, the mask is usually attached statically, it gets a large amount of material. In the geometry described above with a substrate center of 600 mm from the center, a correction aperture receives a rate which is about 5-10 times as large as the substrates themselves. So if 10 pm layer material is deposited on the substrate, the aperture already receives 100 pm.
  • the material stock is very large, especially with cylindrical sputter sources, so that a service life of several months would in principle be possible.
  • a power of 5 kW would allow a lifespan of 70 days (24 hours a day, 7 days a week).
  • a layer thickness of 480 pm could thus be deposited on the substrate before the target has to be exchanged. If you add the second material, the layer thickness on the uniformity diaphragms would accumulate to 10 mm. However, it is beneficial not to exceed a certain thickness of approx. 1 mm on the uniformity panels.
  • Sputter sources work, which is particularly disadvantageous because the sputter sources themselves have a multiple service life compared to conventional linear magnetrons.
  • the production time could be significantly extended without intermediate cleaning if the parasitic coating on the uniformity covers can be reduced.
  • Another method that is often used is the use of satellite rotation of the substrates.
  • the substrates are on a rotating plate and rotate around themselves. Ring-shaped sputter sources are used here.
  • No. 5,609,772 A describes a device for an annularly closed target, in which an additional magnetic field can be shifted by an excitation current, the magnetic field lines on the target.
  • the target erosion can thus be shifted in its profile and, for example, the distribution of the rate can be influenced.
  • a sputtering arrangement without masks is described in US 2011/253529.
  • a high degree of uniformity is achieved there by proposing a special dimensioning of an annular magnetron source with a special diameter.
  • the center of the magnetron cathode is in the middle of the rotating center of the substrate.
  • a planetary drive is provided so that two rotations are superimposed.
  • a so-called drum geometry is described in US 4,851,095.
  • the sources are usually located as a linear source on the side walls of a chamber.
  • the substrates are on the inside of a rotating drum.
  • layer distributions on the substrate can be influenced by changing the distance of individual magnets from the target surface along the target axis. Here, individual magnets are reset. This method is called "UniTune” and enables a distribution setting to +/- 1% without shaper. The setting is therefore possible within very narrow limits (a few%).
  • a special magnet system for cylindrical magnetrons is described in US 9,349,576.
  • the magnets have a special shape there and the magnetron can be used as a retrofit for planar magnetrons.
  • Magnetron arrangements can be both unbalanced and balanced.
  • Arnell et al. also include a closed field arrangement
  • Double magnetrons in front of which the magnetrons lying next to each other have opposite polarity (dual-co-planar closed field arrangement).
  • An advantage of this arrangement is a better plasma density and the possibility to produce better materials.
  • Magnetron sources on the chamber necessary.
  • the polarity of the magnets is not the same for all sources, but rather opposite to the neighboring cathode. So while a cathode has an N-S-N polarity, the adjacent cathode has an S-N-S polarity. This means that the plasma leads more from one cathode to the next and is more closed ("closed field"). However, the lateral distribution of the layer along the target axis is not considered there.
  • the closed field arrangement is intended to serve denser layers with better properties.
  • the magnetrons can be linear sources, round sources or cylindrical sources. These can be operated using direct current (DC) or alternating current (AC) in the medium frequency range (10-20 kHz). Radio frequencies (RF, usually 13.56 MHz) are also used for insulating sputtering materials.
  • the sources can be unipolar (sputter source as cathode, the positive pole in each case designed as a separate anode) or bipolar.
  • US2016 / 0254127 A1 describes an approach in which the layer thickness distribution is influenced by two magnetrons. The approach is based on a rotation of the magnets, which cause (dec) coupling of the magnetic fields. In the case of a turntable arrangement, the distribution can be tilted. However, this approach is only suitable for small changes in the distribution and is still dependent on the use of masks.
  • US 8,574,409 describes a system in which power modulation is used as a function of the rotation of a magnet set in a ring-shaped magnetron.
  • US2005 / 0061666 A1 discloses magnets which are moved during operation by planar magnets (“sweeping”), so that a higher one
  • So-called shunts are often used to influence the magnetic field in magnetrons (US Pat. No. 5,415,754).
  • the shunts are ferromagnetic plates that are placed between the rows of magnets below the target.
  • the field lines between the racetracks are flatter on the target.
  • US 2011/0127157 describes an asymmetrical magnet system which can be used for cylindrical single or double magnetrons. Due to the asymmetrical design, the plasma will be drawn more between the cathodes, whereby the electrons can get to the respective anode better and a lower impedance arises.
  • a device for depositing uniform layers on rotationally moved substrates by means of magnetron sputtering which contains the following components: a) a vacuum chamber,
  • the essence of the present invention is based on the fact that inhomogeneous, i.e. locally different plasma densities exist which make it possible to achieve an inhomogeneous removal rate.
  • the locally different plasma density is brought about by a suitable, spatially distributed electron density distribution on the magnetron cathodes.
  • the distribution is both in the longitudinal direction, i.e. along the
  • the magnet By arranging the magnet in opposite directions, it can be sufficient that the gradient of the plasma density is reversed. This means that the plasma density does not increase towards the outside but towards the inside. This causes an increase in the inhomogeneous removal rate, so that too Layers with a targeted inhomogeneity can be produced more precisely. A steeper layer thickness gradient can thus be generated.
  • the magnetron electrodes have an inhomogeneous magnetic field and / or the magnetron electrodes have an essentially asymmetrically polarized magnet configuration and / or the coating source has a generator with an adjustable pulse shape and / or pulse frequency.
  • the present invention relates to a new configuration of the magnets for linear and asymmetrically arranged magnetron electrodes with which a coating with very high and stable uniformity can be achieved with rotating substrates to be coated (turntable arrangement).
  • the asymmetry is achieved in that the magnet configuration of the neighboring magnetron electrodes is designed and / or polarized differently.
  • One variant according to the invention provides that the magnets in the
  • Sputtering device are polarized not symmetrical, but asymmetrical.
  • one magnetron has the polarity N-S-N
  • the neighboring magnetron has the polarity S-N-S.
  • the gradient can be designed in the opposite direction, so that the layer gradient can be amplified.
  • DE 10 2013 207 771 A1 not only increases the coupling between the magnetrons in the case according to the invention but also changes the layer thickness distribution on the substrate. While only a linear tilting of the distribution is made possible according to DE 10 2013 207 771 A1, a 1 / r dependency of the layer thickness distribution can be realized according to the invention, wherein r is the distance of the point to be measured on the substrate from the center of rotation.
  • the proposed configuration is also advantageous because it makes it possible to further reduce the impedance of the discharge. This is beneficial for materials that provide high impedance, such as silicon, or poorly conductive materials.
  • a low discharge voltage is also advantageous with other materials such as tantalum, niobium, which contain metallic components either from metallic targets or from targets, because this reduces the tendency towards arc discharges. These generally lead to particles.
  • the configuration is also advantageous because it enables the plasma to be held closer to the target.
  • the interaction between plasma and substrate can thus be reduced, while at the same time very dense layers of high quality can be represented by the distance between target and substrate not becoming too great. Interactions between plasma and substrate can be noticeable, for example, through increased particle loading or through inhomogeneities in the layer thickness (picture frame effect).
  • the locally different plasma density and thus uniformity can be further influenced by a special pulse pattern, pulse frequency or also by gas pressure.
  • a special pulse pattern preference is given to using at least one gas flow regulator.
  • the inhomogeneous removal rate increases from the center of the turntable to the edge of the turntable, preferably increases linearly, and is particularly preferably proportional to the distance from the center of the turntable. This results in a largely homogeneous coating on the substrate without the use of additional correction masks.
  • the device preferably has at least one plasma source. This The plasma source is then preferably used to pretreat the surface of the substrate and / or to modify the structure and / or the stoichiometry of the layer.
  • the turntable of the device can rotate in the process at a speed of 1-500 rpm, preferably 150-300 rpm.
  • a quick rotation of the turntable in the range of 150-300 rpm can be advantageous. Due to the high rotational speeds, a time constant of around 500 ps to a few milliseconds can be achieved.
  • the at least one double magnetron source preferably consists of magnetron electrodes made of a cylindrical or planar source material and a holder for this material and an associated target.
  • the at least two magnetron electrodes can be operated electrically by means of bipolar pulsing.
  • sine or right corner pulses can be used, and the frequency can also be changed.
  • the sputter frequency can be changed in a range from a few kHz to several 100 kHz. Frequencies between 10 kHz and 100 kHz are preferably used, particularly preferably 20-60 kHz.
  • the magnetron sputter sources can be used in a sputter-down or in a sputter-up arrangement.
  • the at least one magnetron electrode preferably has a target which contains or consists of at least one of the following components:
  • the magnetron electrode preferably consists of a target containing metal / semiconductor or consisting of ceramic material.
  • Compressive stresses are often present in high-quality optical coatings. These are of great importance since they can lead to bending of the optics or also to delamination of the layer or even breakage of the substrate. According to the discharge voltage of the plasma can be reduced, which can lead to a reduction in the layer voltage.
  • the magnetron electrode can contain a target. This can consist of a metal or silicon or also contain or consist of an oxide-containing material. Oxide-containing materials have the advantage of providing an oxygen source. Sometimes extra oxygen is required in the sputtering area, for example because the oxygen from the plasma source is not sufficient for oxidation or because higher coating rates are to be achieved. In this case it is convenient to remove the oxygen directly from the target i.e. to take the magnetron electrode because it gives a higher stability compared to a target made of metal and oxygen as a reactive gas.
  • Preferred oxide-containing materials are TiOx, TaOx, NbOx, ZrOx, ZrOx: Y, CeOx, ScOx, HfOx, AIOx, SiOx, ZnOx, InSnOx and / or SnOx, with x being particularly preferred so that the target is just one Has conductivity, but at the same time x is close to the stoichiometry.
  • the invention can also be used advantageously for the production of Si-based layers, some of which contain hydrogen. Bandpass filters for the near infrared range can be produced with this. Very thin substrates that bend strongly are often used there. According to the invention, the layer tension can also be reduced there.
  • Magnetron electrode is preferably 5 to 30 cm, preferably 5 to 20 cm, particularly preferably 6 to 15 cm and very particularly preferably 6 to 12 cm.
  • a short distance is advantageous because it enables layers with a high density to be produced.
  • a very small distance is disadvantageous because it can enable the increased formation of particles. These can be kept electrically trapped in the plasma and the continuous sub strate can thus act as a dust catcher.
  • the device there is also the possibility in the device of significantly increasing the spacing between the electrodes and the magnetrons without any loss of layer properties.
  • very dense and smooth as well as absorption-free layers are necessary, which usually requires high particle energies.
  • the process pressure must be as low as possible so that the sputtered particles do not collide with one another on the way from the target to the substrate. This can be achieved by reducing the process pressure in the sputtering chamber to a value below 1x10-3 mbar.
  • magnetrons are operated at a pressure of a few 10-3 mbar (3x10-3 mbar to 6x10-3 mbar).
  • a pressure variation has an effect on the surface roughness of a high-quality optical coating. This can be measured with an AFM (Atomic force microscope). The roughness of the plasma source can also be set using the pressure.
  • an SiO 2 layer of 2 ⁇ m has a roughness that is 0.9 nm higher than that of the substrate when it is pressed against the substrate
  • Magnetrons of 6x10-6 mbar is produced. If the pressure is reduced to less than 3x10-3 mbar, the additional roughness compared to the substrate drops to less than 0.1 nm if the distance between the source and the substrate is approx. 7 cm.
  • the prior art methods have the problem that the target voltage increases with decreasing pressure and the tendency to arcing increases.
  • tantalum pentoxide layer The same can also be observed with a tantalum pentoxide layer.
  • additional roughness of a 2 ⁇ m thick Ta205 layer to 0.1 nm compared to 0.2 nm or more when the pressure is reduced.
  • the distance can be tripled without additional roughness of the layer relative to the substrate.
  • the distance can be increased significantly to 15 cm, or 20 cm or more.
  • the target voltage and thus the arcing tendency is reduced at a smaller distance and a pressure of 3x10-3 mbar.
  • the advantage of the invention is that a high particle freedom can be achieved even at a relatively short distance, because the plasma can be drawn very close to the target. By lowering the pressure, the distance can even be increased further without there being a loss in the density of the layers.
  • the advantage of this distance is that a homogeneous coating of small components with high density and high precision is made possible.
  • the distance between the turntable and the walls of the walls of the magnetron sputtering device is preferably 0.1 to 5 mm. This distance has proven to be particularly favorable in order to make the magnetron sputtering device gas-tight, ie to ensure effective gas space separation within the device.
  • the double magnetron arrangement according to the invention has the advantage that more source material can be separated per time the substrate spends in the magnetron sputtering device compared to a single magnetron arrangement. The result is a much higher efficiency of the sputtering process. Furthermore, by using
  • Double magnetron arrangements with bipolar excitation better long-term stability due to the "non-vanishing anode” and higher plasma densities in combination with denser (but also more strained) layers are guaranteed.
  • polymer substrates can be coated more cheaply because the temperature of the discharge is lower
  • Discharge voltage or / and the larger distance can be reduced.
  • the polymer coating can also be made cheaper, since the temperature input into the layer is also reduced as the discharge voltage drops.
  • the device can advantageously have a device for generating medium-frequency discharges.
  • the device preferably contains two, optionally also three, magnetron sputtering devices.
  • the advantage of such configurations arises above all in the case of multilayer coatings, ie in the coating of a substrate with a number of different layers.
  • stacks can be generated from two types of layers, which have different material (source material). Consequently, in the case of three magnetron sputtering devices, it is possible to sputter stacks of three types of layers onto the substrate, each of which has a different material.
  • material mixtures can be made from the respective source materials, ie mixed layers can be deposited.
  • magnetron sputtering devices to optimize the layer properties is particularly advantageous in the area of very complex optical multilayer filters with more than 100 individual layers.
  • three or more magnetron sputtering devices can also prove to be advantageous.
  • the pulse shape is further preferred.
  • rectangular or sine pulses are used as the pulse shape, particularly preferably at a frequency of 40 kHz. This leads to a greater inhomogeneity of the plasma along the target axis. It is thus possible to influence the distribution itself again by adjusting the pulse shape and the frequency. As a result, the correction aperture (shaper aperture) is no longer required.
  • the correction diaphragm receives significantly less coating material.
  • the layer thickness gradient is approximately 30% at a distance of 60 cm from the center of the turntable and a substrate diameter of 200 mm. The aperture on the inner edge of the substrate must therefore hold 30% more layer than on the outside. The layer thickness correction then runs over 30%.
  • the aperture receives approximately eight times the rate that arrives on the substrate.
  • the advantage of the invention is that the aperture only has to correct a few% because an almost homogeneous coating is achieved on the substrate.
  • the screen receives much less layer than in the standard configuration and can be used much longer.
  • the distribution can also be set much more precisely, since only a few% of the layer distribution has to be corrected. Since the aperture also receives much less layer, the drift of the distribution in the course of the coating is smaller.
  • the invention can also be used to create a stronger gradient.
  • the plasma can reach the room at different distances.
  • the substrate can be either in the plasma or outside, with the transition being fluid.
  • the substrate With regard to a low particle load, it is advantageous for the substrate to be outside the plasma, since particles are often kept in the vicinity of electrical fields.
  • a small distance between target and substrate is desired because of the better layer properties.
  • the Magnetde sign according to the invention makes it possible to build up the plasma close to the target.
  • the magnetron sputtering device can have an effective gas space separation for gases of 1:25, better 1: 100, within the vacuum.
  • An effective gas space separation between the coating stations of 1: 100 enables the production of clearly defined co-sputtered materials.
  • the reason for this is that noble gas and / or reactive gas of a magnetron sputtering device is prevented from entering another magnetron sputtering device of the same device.
  • the amount of noble gas and / or reactive gas can be precisely be set to a certain predefined value and / or kept constant.
  • Plasmas based on magnetron discharges usually consist of more than 99% non-ionized particles. These can have high energies and therefore contribute greatly to layer tensions. They can be influenced indirectly, for example by changing the magnetic field design or by using alternative sputter gases.
  • the sputtering gas may contain or consist of an inert gas. Preferred noble gases are argon, neon, xeon and krypton. Noble gas mixtures are also possible.
  • the reactive gas can contain or consist of an oxidizing gas. Preferred reactive gases are oxygen, nitrogen, tetrafluoromethane, octafluorocyclobutane, carbon dioxide and hydrogen fluoride. Mixtures of these gases can also be used.
  • Hydrogen can also be used.
  • the device preferably contains a photometer. This enables the thickness of the layer on the substrate to be measured photometrically
  • Control sputtering process A fast broadband measurement (e.g. from 200-2000 nm) of the transmission or reflection can be carried out for this purpose.
  • the layer thickness can be determined and checked by comparison with the theoretically expected spectrum.
  • a quartz crystal can also be used, for example in cavity filters, in which only a small signal change in the transmission is expected for certain layers.
  • the substrate holder has or consists of polyether ether ketone.
  • the use of polyether ether ketone has the advantage that the formation of particles is reduced.
  • the device has a control system for regulating and / or stabilizing the reactive gas in the magnetron sputtering device.
  • Transition Mode are operated.
  • the cylindrical source material (target) is permanently in a metallic, oxide-free state by suitable control of the generator, while there is sufficient oxygen in the process space for the oxidation of the growing layer.
  • the above-mentioned manipulated variables are usually realized on the oxygen partial pressure or the voltage of the generator or the target. In this way, the process can achieve the deposition of stoichiometric layers with a high deposition rate, while minimizing the disruptive influence of particles, i.e. high particle poverty is achieved.
  • a method for the deposition of uniform layers on rotationally moving substrates by means of magnetron sputtering in which a) at least one substrate is arranged on a rotary plate in a vacuum chamber in order to enable a coating upon rotational movement of the substrate, b ) with at least one coating source consisting of a linearly extended double magnetron source, at least one layer is deposited on the at least one substrate, the layers being formed from source material of the magnetron electrodes with sputtering gas.
  • the coating source used according to the invention enables an inhomogeneous plasma density which has an inhomogeneous removal rate of the source material.
  • the magnetron electrodes have an inhomogeneous magnetic field and / or the magnetron electrodes have an essentially asymmetrically polarized magnet configuration and / or the coating source has a generator with an adjustable pulse shape and / or pulse frequency. It is preferred that the inhomogeneous removal rate increases from the center of the turntable to the edge of the turntable, preferably increases linearly, and is particularly preferably proportional to the distance from the center of the turntable. This results in a largely homogeneous coating on the substrate without the use of additional correction masks.
  • At least one plasma source is used in the method according to the invention, the at least one plasma source preferably pre-treating the surface of the substrate via exposure to plasma and / or the at least one plasma source preferably treating the structure and / or the stoichiometry of the layer via exposure to plasma modified.
  • An inert gas in particular argon, is preferably used as the sputtering gas.
  • At least one reactive gas can preferably be used, in particular selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, hydrogen, carbon dioxide, hydrogen fluoride,
  • Tetrafluoromethane octafluorocyclobutane and mixtures thereof.
  • a preferred variant provides that the thickness of the layer on the substrate is checked by at least one of the measures a) to e) for process control:
  • the device according to the invention is preferably used to carry out the method.
  • the subject according to the invention is intended to be explained in more detail with reference to the following figures and examples, without wishing to restrict it to the specific embodiments shown here.
  • Fig. 1 shows a device according to the invention without a turntable in the top view
  • Fig. 2 shows a device according to the invention with a turntable in the top view
  • Fig. 3 shows a device according to the invention in a sectional view
  • Fig. 4 shows a device according to the prior art with symmetric polarity
  • FIG 5 shows a device according to the invention with asymmetrical polarity
  • Fig. 6 shows a diagram of the time-dependent voltage difference between the targets with a sine excitation of 40 kHz
  • FIG. 8 shows a diagram in which the ion current density averaged over time and target area is shown for the configuration “Even”
  • FIG. 9 shows a diagram in which the ion current density averaged over time and target area is shown for the configuration “Odd”.
  • FIG. 11 shows the comparison of the coating rate resulting on the substrate without a separate uniformity diaphragm according to the invention and according to the prior art.
  • Fig. 1 shows schematically in plan view a preferred device according to the invention without a turntable.
  • the device has three magnetron sputtering devices 2, 3, 4, one of which is configured in the single magnetron arrangement 2 and two in the double magnetron arrangement 3, 4.
  • the magnetron sputtering devices 2 contains a magnetron electrode 5, sputtering gas 11, optionally reactive gas 8 and is located in a vacuum 1.
  • the magnetron sputtering devices 3, 4 each contain two magnetron electrodes 6, 7, sputtering gas 11, optionally reactive gas 8 and is in a vacuum 1.
  • a plasma source 12 In the vicinity of the magnetron sputtering devices 2, 3, 4 there is a plasma source 12 and a photometer 16 and / or an ellipsometric flange 17.
  • FIG. 2 shows schematically a top view of a preferred embodiment of the turntable.
  • the turntable 10 is located in the device and in this example has ten identical substrate holders 9.
  • Figure 3 shows schematically in side view a preferred embodiment of the device with a turntable 10. It is the cross section of a
  • Magnetron sputtering device visible, which contains two cylinders made of source material 6, 7 (double magnetron arrangement).
  • the magnetron sputtering device is delimited on the sides of the boundary walls 14, 15 and above by the turntable 10 in a gas-tight manner from the rest of the device, contains sputtering gas 11, optionally reactive gas 8, and is under vacuum 1.
  • Two sub-strathalterept 9 of the turntable 10 are in shown or visible in cross-section. Above the turntable 10 there is a cover 13, which seals the device gas-tight with boundary walls which are located on the side of the turntable 10.
  • FIG. 4 shows a sputtering device according to the prior art, which has a cylindrical dual magnetron arrangement with symmetrical polarity.
  • the generator supplies the sources with bipolar pulsed voltage, the pulses being sinusoidal, rectangular or other pulse patterns.
  • 5 shows a sputtering device according to the invention, which has a cylindrical dual magnetron arrangement with asymmetrical polarity.
  • the generator supplies the sources with bipolar pulsed voltage, the pulses being sinusoidal.
  • the correction diaphragm is largely removed from the coating area.
  • the cylindrical dual magnetron arrangement shown in FIG. 5 was investigated using particle-in-cell plasma simulation.
  • Electron capture at the target 100%
  • the electrical feed is bipolar in the two cylindrical targets.
  • the targets are periodically reversed in the form of a sinusoidal signal, the excitation frequency is 40 kHz.
  • both magnet sets are in dell tilted 10 ° towards the center.
  • both magnet sets have the same polarity, ie top of the outer magnet ring on the north pole, top of the inner magnet on the south pole. This configuration is referred to below as “even”.
  • the second magnet set (on the right-hand side in FIG. 5) is reversed, this configuration is referred to below as "odd”.
  • the dissipated plasma power is continuously recorded (using the kinetic energy of charged particles before and after a time step) and accumulated in each case over 0.1 ps.
  • the voltage difference between the targets is regulated by means of a proportional regulator.
  • the resulting time-dependent curves of voltage and power can be seen in FIG. 6. It generally takes longer than 50 ps to assume a quasi-steady state of discharge. It is also noticeable that in the "odd" configuration according to the invention a lower voltage difference occurs in equilibrium, ie the discharge takes place with a lower impedance.
  • the ion current profiles on the target for determining the sputter erosion distribution are therefore measured over the last 12 half-waves, ie in Time interval from 102.5 ps to 250 ps in steps of 2.5 ps, the ion currents in a three-dimensional view are shown in Fig. 7.
  • the ion current density accumulated from the ion currents on the targets shows a diagonally symmetrical distribution for the "even" Configuration (see FIG. 8) and a one-sided distribution for the “odd” configuration (see FIG. 9).
  • the absolute value of the current density is higher in the “odd” configuration, which is related to the lower plasma impedance already mentioned.
  • a lower plasma impedance is advantageous as long as the voltage is sufficient for the sputtering effect, because generally the inclination to undesirable discharges (ares)
  • the higher ion current density in Fig. 9 is also advantageous because it leads to a higher rate.
  • FIG. 10 shows the accumulated ion current density at the target in a second arrangement.
  • the gradient of the ion current density is reversed, so that a low removal rate results to the outside.
  • another Distribution mask can be used to create a stronger layer thickness gradient.
  • the ion current profile averaged over the target area is decisive both for the erosion profile on the target and for the layer thickness distribution.
  • the ion current profile is proportional to the sputtering rate. This is shown in FIG. 11 for a time averaging interval of 100-250 ps, ie over 12 half cycles of the sine excitation.
  • a coating rate results in the area of the substrates. This area comprises the radial position 270 to 470 mm (substrate diameter 200 mm). With a mask, the rate must then go inwards to the minimum value of 70 (relative rate) can be set.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Schichten mit sehr guter Uniformität bei Beschichtungsanlagen mit horizontal rotierender Substratführung. Alternativ können bestimmte Schichtdickengradienten eingestellt werden. Zudem wird die Partikelbelastung deutlich reduziert. Die Standzeit ist gegenüber anderen Verfahren deutlich erhöht. Parasitäre Beschichtungen werden reduziert. Auch die Beschichtungsrate wird erhöht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Schichten mit verbesserter Uniformität bei Beschichtungsanlagen mit horizontal rotierender Substratführung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Schichten mit sehr guter Uniformität bei Beschichtungsanlagen mit horizontal rotierender Substratführung. Alternativ können bestimmte Schichtdickengra dienten eingestellt werden. Zudem wird die Partikelbelastung deutlich redu ziert. Die Standzeit ist gegenüber anderen Verfahren deutlich erhöht. Parasi täre Beschichtungen werden reduziert. Auch die Beschichtungsrate wird er höht.
Optische Schichten bestehen heute oftmals aus einer Abfolge von nieder- und hochbrechenden Schichten, bei denen also bestimmte Materialien überei nander gestapelt werden. Die Schichtdicken können je nach Funktion und Wellenlängenbereich zwischen wenigen nm und mehreren pm betragen. Ma terialien sind beispielsweise Si02, Ta205, Nb205, Hf02, Zr02, Ti02. Auch amor- phe, wasserstoffhaltige Si-Materialien (a-Si:H) werden eingesetzt.
Durch die geeignete Stapelung der Schichtfolge übereinander wird eine ge wünschte Schichtfunktion erreicht. Dies kann beispielsweise ein Bandpassfil ter oder ein Kantenfilter sein. Auch Beschichtungen zur Steuerung der Phasen lage des reflektierten oder transmittierten Lichtes sind möglich.
Die spektrale Lage der Kante bzw. des Bandpasses ist entscheidend für die Funktion der Beschichtung. Es besteht daher ein großes Interesse, uniforme Schichten auf dem Beschichtungsgut zu erreichen. In anderen Anwendungen sind auch Schichten gefordert, bei denen ein bestimmtes Schichtprofil ge wünscht ist. Dies ist der Fall für Bandpassfilter, bei denen die Zentralwellen länge von der Position abhängt (Gradientenfilter). Eingesetzt werden bei spielsweise solche Gradientenfilter auf photoempfindlichen Sensoren in der Bildverarbeitung. Diese haben oft eine Größe von einigen 10mm und sind in einem Bereich von ca. 190 bis ca. llOOnm empfindlich. Ein Bandpassfilter mit einer entsprechenden Zentralwellenlänge würde also bei Licht mit 190nm würde bei einem 30mm langen Sensor nur etwa 1/6 der Schichtdicke benöti gen wie bei llOOnm. Mit kleiner werdender Sensorfläche würde sich der Schichtdickengradient noch verstärken, so dass steilere Gradienten realisiert werden müssen.
Auf 3D Komponenten wie Linsen wird oftmals auch eine bestimmte Schichtdi ckenverteilung gefordert. Dies kann einen lateralen Gradienten mit einer be stimmten Form erfordern.
In der Regel werden eine Vielzahl von Schichten übereinander gestapelt. Es entstehen dann Filterbeschichtungen mit einer Schichtzahl weniger als 4 pm und mehr als 100 pm, oftmals mit Dicken von weniger als 1 pm und mehr als 10 pm, oder sogar mehreren 10 pm.
Eine weitere Anforderung ist es, auch möglichst wenig Defekte in die Schicht einzutragen. Diese können beispielsweise durch Abplatzungen von Kammer wänden oder Elementen verursacht werden, die sich im Bereich der Beschich tung befinden. Diese„parasitären" Beschichtungen bilden sich, da die Beschichtungsquelle eine relativ breite Verteilung des abgestäubten Beschichtungsguts in den Raum hinein hat. Ein großer Teil der Beschichtung geht also statt auf die Sub strate auf die Kammerwände, oder Komponenten die zur Ratenkorrektur di rekt vor den Substraten angeordnet sind. Ist die Beschichtung in diesen Berei chen zu dick, oder kommt es zu thermischen Belastungen, können Partikel von diesen Beschichtungen abgelöst werden oder auch die gesamte parasitä re Beschichtung. Partikel können aber auch direkt auf den Sputterquellen er zeugt werden.
Es wurde vielfach versucht, die Partikelbelastung zu reduzieren. Dies wird im Folgenden beschrieben.
Gleichzeitig wurde versucht, Produktionsprozesse zu entwickeln, die sehr uni forme Schichten erzeugen können. Alternativ sind auch Schichten mit einem definierten Gradienten in der Schichtdicke herzustellen.
Die Herstellung partikelremer optischer Schichten kann mit einer Magnetron- Sputtervorrichtung erfolgen, wie sie beispielsweise aus
US 9,803,276 B2bekannt ist. In dieser Schrift wird die Herstellung
partikelarmer Beschichtungen dargestellt, wobei die Sauberkeit der Beschich tung erreicht wird durch die Verwendung von zylindrischem Quellmaterial (Rotatable-Magnetrons), optional zusammen mit einer Reaktivgaskomponen te, durch Magnetron-Sputtering auf das Substrat aufgebracht. Das Aufbringen der Schicht erfolgt entgegen der Schwerkraft in einem sogenannten„Sputter- up"-Verfahren. Da eine Substrat-Subrotation (Satelliten-Bewegung) nicht vor gesehen ist, ergibt sich auf dem Substrat ein Schichtdickenprofil, welches um gekehrt proportional zum Radius zum Drehmittelpunkt zunimmt. Bei einer Anordnung beispielsweise, bei der der Substratmittelpunkt 600mm vom Drehzentrum entfernt und das Substrat einen Durchmesser von 200mm hat, würde außen nur noch etwa 70% der Schichtrate gegenüber der Rate innen ankommen.
Die Einstellung der Schichtuniformität erfolgt daher mit Masken, die den Be schichtungsfluss lokal einschränken. Die Maske liegt zwischen Quelle und Sub strat; dabei in der Regel dicht am Substrat, um die Schichtverteilung möglichst genau einstellen zu können. Die Maske liegt damit direkt im Beschichtungsbe reich. Da im Gegensatz zu den bewegten Substraten die Maske meist statisch angebracht ist, bekommt diese eine große Menge an Material. In der oben beschriebenen Geometrie mit einem Substratmittelpunkt von 600 mm vom Zentrum entfernt erhält eine Korrekturblende eine etwa 5-10 mal so große Rate wie die Substrate selber. Wird also 10 pm Schichtmaterial auf dem Sub strat abgeschieden, erhält die Blende bereits 100 pm. Besonders bei zylindri schen Sputterquellen ist der Materialvorrat sehr groß, so dass prinzipiell eine Standzeit von mehreren Monaten möglich wäre. Haben diese Targets bei spielsweise eine Lebensdauer von 8000 Stunden, so wäre bei der Leistung von 5 kW eine Lebensdauer von 70 Tagen (24 Stunden pro Tag, 7 Tage in der Wo che) möglich. Eine Schichtdicke von 480 pm könnte damit auf dem Substrat abgeschieden werden, bevor das Target ausgetauscht werden muss. Nimmt man das zweite Material dazu, würde sich die Schichtdicke auf den Uniformi tätsblenden auf 10 mm akkumulieren. Günstig ist es aber, eine bestimmte Dicke von ca. 1mm auf den Uniformitätsblenden nicht zu überschreiten.
Ist die Dicke auf der Blende zu groß, kann es zu Abplatzungen und
Partikelbildung kommen, so dass Anlagen in der Regel vorher gereinigt wer den, wobei die Blenden gereinigt werden oder sogar ausgetauscht werden. Damit ist auch die Standzeit der Anlage nach einer Reinigung limitiert.
Dies ist besonders bei gegenwärtigen Systemen, die mit zylindrischen
Sputterquellen arbeiten, von besonderem Nachteil, weil die Sputterquellen selbst eine mehrfache Standzeit aufweisen im Vergleich zu herkömmlichen linearen Magnetrons. Man könnte die Produktionszeit ohne zwischenzeitliche Reinigung deutlich verlängern, wenn es gelingt, die parasitäre Beschichtung auf den Uniformitätsblenden zu reduzieren.
Ein anderes Verfahren zur Abscheidung hochwertiger optischer Beschichtun gen wird in der US 8,956,511 B2beschrieben. Dort wird eine Drehtelleranord nung vorgesehen, bei der die Substrate auf einem Teller rotieren und bei je dem Durchgang eine sehr dünne Teilschicht von wenigen O.lnm abgeschieden wird. Am Ort der Magnetrons wird Sauerstoff zugegeben, so dass zunächst eine unterstöchiometrische Schicht abgeschieden wird. Diese Schicht wird mit einer nachfolgenden Plasmaquelle durchoxidiert. Die Einstellung der Schicht- dickenverteilung erfolgt mittels sog.„Korrekturmasken", die im inneren Be reich einen größeren Beschichtungsanteil wegnehmen als im äußeren Bereich. Sind die Magnetronquellen verglichen mit dem Substratdurchmesser nicht wesentlich länger, sind die Blenden sogar knochenförmig geformt, weil das Schichtprofil der Magnetrons zu den Enden stark veränderlich ist.
Ein ebenfalls oft genutztes Verfahren ist die Verwendung einer Satellitenrota tion der Substrate. Die Substrate befinden sich auf einem rotierenden Teller und rotieren dabei um sich selber. Hierbei werden ringförmige Sputterquellen verwendet.
Aus US 8,574,409ist ein Verfahren bekannt, bei dem bei einem ringförmigen Magnetron ein Magnetsatz rotiert und die Leistung dabei mit einer bestimm ten Frequenz periodisch moduliert wird, um die Uniformität der Schichtvertei lung zu verbessern.
In US 5,609,772 A wird eine Vorrichtung für ein ringförmig geschlossenes Tar get beschrieben, bei der ein durch einen Erregerstrom zusätzliches Magnet feld die Magnetfeldlinien auf dem Target verschoben werden können. Damit kann die Target-Erosion in ihrem Profil verschoben und beispielsweise die Verteilung der Rate beeinflusst werden.
Eine Sputteranordnung ohne Masken wird in US 2011/253529 beschrieben. Dort wird eine hohe Uniformität erreicht, indem eine spezielle Dimensionie rung einer ringförmigen Magnetronquelle mit einem speziellen Durchmesser vorgeschlagen wird. Der Mittelpunkt der Magnetronkathode ist mittig zu den rotierenden Substratmittelpunkten. Dort wird allerdings ein Planetenantrieb vorgesehen, so dass zwei Rotationen überlagert werden.
In Sputteranlagen kommen verschiedene Arten von Magnetronquellen zum Einsatz.
Eine sog. Trommelgeometrie wird in der US 4,851,095 beschrieben. Hierbei befinden sich die Quellen meist als Linearquelle an den Seitenwänden einer Kammer. Die Substrate befinden sich innen auf einer rotierenden Trommel. In einer Variante können Schichtverteilungen auf dem Substrat durch Verän derung des Abstandes einzelner Magnete von der Targetoberfläche entlang der Targetachse beeinflusst werden. Hierbei werden einzelne Magnete zu rückgesetzt. Diese Methode wird als„UniTune" bezeichnet und ermöglicht eine Verteilungseinstellung auf +/-1% ohne Shaper. Die Einstellung ist damit in sehr engen Grenzen möglich (wenige %).
Für die vorgeschlagene Anordnung mit Drehteller würde dieses Verfahren nicht geeignet sein, weil es eine sehr starke Abschwächung des Magnetfeldes zur Folge hätte, so dass die Impedanz und damit die Spannung des Prozesses stark ansteigen würden. Außerdem wird für das vorliegende Verfahren eine sehr viel größere Änderung der Rate um ca. 30% benötigt.
Ein ähnliches Verfahren wird in US 2003/0042130 vorgeschlagen. Dort werden „Elektronenfallen" mit Hilfe eines zusätzlichen Magnetfeldes am Target einge führt, mit der die Plasmadichte und damit die Sputterausbeute entlang des Targets beeinflusst werden kann.
Die Veränderung der Geometrie von Magneten zur Steuerung der Schichtver teilung wird auch bei zylindrichen Magnetronquellen in US 2013/0032475 beschrieben. Es kann entweder der Abstand zwischen Target und Substrat verändert werden, oder auch der Drehwinkel des ganzen Magnetsatzes („Swing-Kathoden").
Ein spezielles Magnetsystem für zylindrische Magnetrons wird in US 9,349,576 beschrieben. Die Magnete haben dort eine spezielle Form und das Magnetron kann als Retrofit für Planarmagnetrons eingesetzt werden.
In R.D. Arnell et al.,„Recent advances in magnetron sputtering", Surf. Coat. Technol. 112 (1999), p. 170 wird die Methode des„closed-field unbalanced magnetron sputtering" beschrieben. Hierbei wird über die Magnetkonfigura tion von Doppelmagnetron-Anordnungen berichtet.
Magnetron-Anordnungen können sowohl unbalanciert als auch balanciert sein. Von unbalancierter Anordnung spricht man, wenn z.B. der äußere Mag netring eine höhere Feldstärke als der innere Ring besitzt. Dadurch werden einige Elektronen nicht mehr am Target festgehalten, sondern folgen den Magnetfeldlinien in Richtung zum Substrat. Das Plasma dehnt sich weiter zum Substrat aus, und es kann beispielsweise eine bessere Verdichtung der Schicht erfolgen. Nachteilig kann es aber auch sein, dass mehr Partikel in die Schicht eingetragen werden. Bei einer balancierten Anordnung wird dagegen das Plasma mehr am Target gehalten.
Arnell et al. schlagen auch eine closed-field Anordnung mit
Doppelmagnetrons vor, bei der nebeneinander liegende Magnetrons eine entgegengesetzte Polung aufweisen (dual-co-planar closed field arrange- ment). Als Vorteil dieser Anordnung wird eine bessere Plasmadichte gesehen und die Möglichkeit, bessere Materialien herzustellen. Dort wird vorgeschla gen, in einer„closed field" Anordnung arbeiten. Dazu sind mehrere
Magnetronquellen auf der Kammer notwendig. Die Polung der Magnete er folgt dabei nicht gleichartig für alle Quellen, sondern jeweils entgegengesetzt zur benachbarten Kathode. Während eine Kathode also eine Polung N-S-N hat, hat die daneben liegende Kathode eine Polung S-N-S. Das führt dazu, dass das Plasma mehr von einer Kathode zur nächsten führt und mehr geschlossen ist („closed field"). Allerdings wird dort nicht die laterale Verteilung der Schicht entlang der Targetachse betrachtet. Die Closed Field-Anordnung soll dazu dienen, dichtere Schichten mit besseren Eigenschaften zu erzeugen.
Die Magnetrons können Linearquellen, runde Quellen oder auch zylindrische Quellen sein. Diese können mittels Gleichstrom (DC), oder Wechselstrom (AC) im Mittelfrequenzbereich (10-20 kHz) betrieben werden. Auch Radiofrequen zen (RF, meist 13,56 MHz) werden bei isolierenden Sputtermaterialien einge setzt. Die Quellen können unipolar (Sputterquelle als Kathode, jeweils der Pluspol als separate Anode ausgeführt) oder bipolar ausgeführt werden.
In US2016/0254127 Al wird ein Ansatz beschrieben, bei dem die Schichtdi ckenverteilung durch zwei Magnetrons beeinflusst wird. Der Ansatz beruht auf einer Verdrehung der Magnete, die eine (Ent-)Kopplung der Magnetfelder bewirken. Für den Fall einer Drehtelleranordnung kann damit eine Kippung der Verteilung ermöglicht werden. Allerdings eignet sich dieser Ansatz nur für kleine Änderungen in der Verteilung und ist weiterhin auf die Verwendung von Masken angewiesen. Die US 8,574,409 beschreibt ein System, bei dem eine Leistungsmodulation an Abhängigkeit der Rotation eines Magnetsatzes bei einem ringförmigen Magnetron eingesetzt wird.
Aus US2005/0061666 Al sind Magnete bekannt, die im Betrieb von planaren Magneten bewegt werden („Sweepen"), so dass eine höhere
Targetausnutzung resultiert.
Oftmals werden sog. Shunts zur Beeinflussung des magnetischen Feldes bei Magnetrons eingesetzt (US 5,415,754). Die Shunts sind ferromagnetische Plat ten, die unterhalb des Targets zwischen die Magnetreihen gesetzt werden. Damit verlaufen die Feldlinien zwischen den Racetracks flacher am Target. Nachteilig ist dagegen, dass bei bipolaren Prozessen eine magnetische Barrie re für die Elektronen zwischen den Targets aufgebaut wird. Damit steigt in der Regel die Impedanz und damit auch die Entladespannung des Generators. Dieses ist ungünstig, weil eine hohe Spannung zu vermehrter Partikelbildung führen können.
3D Effekte treten oft bei Magnetronentladungen auf. Bekannt sind beispiels weise der„Cross-Corner" Effekt (Siemers, M. et al., Proc. 51st SVC Tech. Conf., 2008, 43-48) mit diagonallsymmetrischen Inhomogenitäten. Bei zylindrischen Magnetrons gibt es ebenfalls einen derartigen Effekt.
In US 2011/0127157 wird ein asymmetrisches Magnetsystem beschrieben, welches für zylindrische Einzel- oder Doppelmagnetrons benutzt werden kann. Durch das asymmetrische Design wird das Plasma mehr zwischen die Kathoden gezogen werden, wobei die Elektronen besser zu jeweiligen Anode gelangen können und eine geringere Impedanz entsteht.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrich tung bereitzustellen, die eine hohe und stabilere Uniformität der Schichten sicherstellt und dabei gleichzeitig parasitäre Abscheidungen vermieden wer den, um die Produktionszeit der Vorrichtung zu erhöhen. Ebenso ist es aber auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schichten mit einer gezielten In homogenität genauer und auch mit steilerem Schichtdickengradient einge stellt werden. Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die weite ren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abscheidung uniformer Schichten auf rotatorisch bewegten Substraten mittels Magnetron-Sputtern bereitge stellt, die folgende Komponenten enthält: a) eine Vakuumkammer,
b) mindestens einen Einlass für ein Sputtergas,
c) einen Drehteller mit mindestens einer Substrathalterung und d) mindestens einer aus einer linear ausgedehnten Doppel- Magnetronquelle bestehenden Beschichtungsquelle und die Dop pel-Magnetronquelle aus zwei linearen Magnetron-Elektroden be steht, wobei die Beschichtungsquelle eine inhomogene Plasma dichte aufweist, die eine inhomogene Abtragerate ermöglicht.
Der Kern der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass in der Beschich tungsquelle inhomogene, d.h. lokal unterschiedliche Plasmadichten existieren, die es ermöglichen, dass eine inhomogene Abtragerate erreicht wird.
Die lokal unterschiedliche Plasmadichte wird bewirkt durch eine geeignete, räumlich verteilte Elektronendichteverteilung an den Magnetronkathoden.
Die Verteilung wird dabei sowohl in Längsrichtung, d.h. entlang der
Targetachse der Magnetrons, als auch in vertikaler Richtung, d.h. in Richtung von der Targetebene zur Substratebene kontrolliert.
Hierdurch wird es ermöglicht, Schichten hoher und stabiler Uniformität auf dem Substrat zu erzeugen.
Durch eine entgegengesetzte Anordnung der Magnetkonfiguration kann er reicht werden, dass der Gradient der Plasmadichte umgekehrt wird. Das be wirkt, dass die Plasmadichte nicht nach außen, sondern nach Innen zunimmt. Dies bewirkt eine Verstärkung der inhomogenen Abtragerate, so dass auch Schichten mit einer gezielten Inhomogenität genauer hergestellt werden kön nen. Damit kann ein steilerer Schichtdickengradient erzeugt werden.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Magnetron-Elektroden ein inho mogenes Magnetfeld aufweisen und/oder die Magnetron-Elektroden eine im Wesentlichen asymmetrisch gepolte Magnetkonfiguration aufweisen und/oder die Beschichtungsquelle einen Generator mit einstellbarer Pulsform und/oder Pulsfrequenz aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Konfiguration der Magnete für lineare und asymmetrisch zueinander angeordnete Magnetron-Elektroden, mit der eine Beschichtung mit sehr hoher und stabiler Uniformität bei rotie rend zu beschichtenden Substraten (Drehtelleranordnung) erreicht werden kann. Die Asymmetrie wird dadurch erreicht, dass die Magnetkonfiguration der benachbarten Magnetron-Elektroden unterschiedlich ausgeführt oder/und gepolt sind.
Eine erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass die Magnete in der
Sputtervorrichtung nicht symmetrisch, sondern asymmetrisch gepolt werden. So hat ein Magnetron die Polung N-S-N, und das benachbarte Magnetron die Polung S-N-S.
Durch eine Vertauschung der Anordnung der unterschiedlich gepolten Magnetronelektroden (rechtes Magnetron nach links, linkes Magnetron nach rechts) kann der Gradient in entgegengesetzter Richtung ausgelegt werden, so dass eine Verstärkung des Schichtgradienten möglich ist.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren (z.B.
DE 10 2013 207 771 Al) wird im erfindungsgemäßen Fall nicht nur die Kopp lung zwischen den Magnetrons erhöht, sondern es wird auch die Schichtdi ckenverteilung auf dem Substrat verändert. Während gemäß DE 10 2013 207 771 Al nur eine lineare Kippung der Verteilung ermöglicht wird, ist erfin dungsgemäß eine 1/r Abhängigkeit der Schichtdickenverteilung zu realisieren, wobei r der Abstand des zu messenden Punktes auf dem Substrat zum Rotati onsmittelpunkt ist. Die vorgeschlagene Konfiguration ist auch vorteilhaft, weil sie es ermöglicht, die Impedanz der Entladung nochmals zu reduzieren. Dies ist günstig für Ma terialien, die eine hohe Impedanz liefern, wie z.B. Silizium, oder schlecht leit fähige Materialien. Aber auch bei anderen Materialien wie Tantal, Niob, die entweder von metallischen Targets oder von Targets die metallische Anteile beinhalten, ist eine geringe Entladespannung günstig, weil dies die Neigung zu Bogenentladungen reduziert. Diese führen im Allgemeinen zu Partikeln.
Besonders vorteilhaft ist dies auch in Prozessen wie dem Metamode Prozess, wo im Bereich der Sputterquellen ohne Reaktivgas gearbeitet wird. Reaktivgas reduziert oftmals die Entladespannung. Auch günstig ist dies für einen Pro zess, wie er z.B. in DE 10 2013 221 029 Al vorgeschlagen wird, bei dem Sputtertargets mit keramischen Anteilen vorgeschlagen werden, im
Sputterbereich aber ansonsten ohne Sauerstoff gearbeitet wird.
Weiterhin ist die Konfiguration vorteilhaft, weil sie es ermöglicht, das Plasma dichter am Target zu halten. Damit kann die Wechselwirkung zwischen Plasma und Substrat reduziert werden, während gleichzeitig noch sehr dichte Schich ten hoher Qualität dargestellt werden können, indem der Abstand zwischen Target und Substrat nicht zu groß wird. Wechselwirkungen zwischen Plasma und Substrat können sich beispielsweise durch vermehrte Partikelbelastung oder durch Inhomogenitäten in der Schichtdicke bemerkbar machen (Picture frame effect).
Durch ein spezielles Pulsmuster, Pulsfrequenz, oder auch durch Gasdruck kann die lokal unterschiedliche Plasmadichte und damit Uniformität weiter beeinflusst werden. Für die Einstellung des Gasdruckes wird dabei vorzugs weise mindestens ein Gasflussregler eingesetzt.
Es ist bevorzugt, dass die inhomogene Abtragerate vom Drehteller- Mittelpunkt zum Drehteller-Rand zunimmt, bevorzugt linear zunimmt, beson ders bevorzugt proportional zum Abstand vom Drehteller-Mittelpunkt ist. Hierdurch resultiert auf dem Substrat eine weitgehend homogene Beschich tung ohne die Verwendung zusätzlicher Korrekturmasken.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens eine Plasmaquelle auf. Diese Plasmaquelle wird dann vorzugswiese zur Vorbehandlung der Substratober fläche und/oder zur Modifizierung der Struktur und/oder der Stöchiometrie der Schicht eingesetzt.
Der Drehteller der Vorrichtung kann in dem Verfahren mit einer Geschwindig keit von 1-500 U-min-1, bevorzugt 150-300 U-min-1, rotieren. Für einen hohen Durchsatz und eine hohe Präzision kann eine schnelle Rotation des Drehtellers im Bereich von 150-300 U-min-1 vorteilhaft sein. Durch die hohen Rotations geschwindigkeiten lässt sich eine Zeitkonstante von etwa 500 ps bis einige Millisekunden realisieren.
Vorzugsweise besteht die mindestens eine Doppel-Magnetronquelle aus Magnetron-Elektroden aus einem zylindrischen oder planaren Quellmaterial sowie einer Halterung für dieses Material und einem dazugehörigen Target. Die mindestens zwei Magnetron-Elektroden können dabei mittels bipolaren Pulsens elektrisch betrieben werden. Hierbei können Sinus- oder auch Recht eckpulse verwendet werden, wobei auch die Frequenz verändert werden kann. Die Sputterfrequenz kann hierbei in einem Bereich von wenigen kHz bis zu mehreren 100 kHz verändert werden. Bevorzugt werden Frequenzen zwischn 10 kHz und 100 kHz, besonders bevorzugt 20-60 kHz verwendet.
Die Magnetron-Sputterquellen können in einer sputter-down oder auch in einer sputter-up Anordnung eingesetzt werden.
Vorzugsweise hat die mindestens eine Magnetron-Elektrode ein Target, das mindestens eine der folgenden Komponenten enthält oder aus diesen be steht:
a) keramischem Material oder Materialmischungen;
b) thermisch gespritztem Material oder Materialmischungen; c) gesintertem Material oder Materialmischungen
d) kristallinem Material;
e) metallischem Material oder Materialmischungen; und/oder f) einem Oxid-haltigen Material oder
g) Mischungen hiervon. Bevorzugt besteht die Magnetron-Elektrode aus einem Target enthaltend Me tall/ Halbleiter oder bestehend aus keramischem Material.
Bei hochwertigen optischen Beschichtungen liegen oft kompressive Verspan nungen vor. Diese sind von hoher Bedeutung, da sie zu Verbiegungen der Op tik oder auch zur Enthaftung der Schicht oder gar zum Bruch des Substrats führen können. Erfindungsgemäß kann die Entladespannung des Plasmas re duziert werden, was zu einer Reduzierung der Schichtspannung führen kann.
Die Magnetron-Elektrode kann ein Target enthalten. Dieses kann aus einem Metall bzw. Silizium bestehen oder auch ein Oxid-haltiges Material enthalten oder daraus bestehen. Oxid-haltige Materialien haben den Vorteil, dass sie eine Sauerstoffquelle bereitstellen. Manchmal wird im Sputterbereich extra Sauerstoff benötigt, beispielsweise weil der Sauerstoff der Plasmaquelle nicht zum Oxidieren ausreicht oder weil höhere Beschichtungsraten erzielt werden sollen. In diesem Fall ist es günstig, den Sauerstoff direkt vom Target d.h. der Magnetron-Elektrode zu nehmen, weil sich damit eine höhere Stabilität ver glichen mit einem Target aus Metall und Sauerstoff als Reaktivgas ergibt.
Denn normalerweise führt die reaktive Beschichtung von einem metallischen (bzw. Silizium-) Target unter Verwendung von Reaktivgas zu einer Rateninsta bilität, wenn nicht der Sauerstoffpartialdruck genau konstant gehalten wird, da die Rate eines metallischen Targets deutlich unterschiedlich sein kann ver glichen mit der Rate des entsprechenden Oxids. Hat man das Reaktivgas (Sau erstoff, Stickstoff) im Target enthalten, ist die Rate unabhängig von der Bede ckung mit einer Oxidschicht.
Bevorzugte Oxid-haltige Materialien sind TiOx, TaOx, NbOx, ZrOx, ZrOx:Y, CeOx, ScOx, HfOx, AIOx, SiOx, ZnOx, InSnOx und/oder SnOx, wobei besonders bevorzugt x so gewählt wird, dass das Target gerade noch eine Leitfähigkeit aufweist, zugleich x aber nahe der Stöchiometrie ist.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft für die Herstellung von Si-basierten Schichten verwendet werden, die teilweise Wasserstoff enthalten. Hiermit können Bandpassfilter für den nahen Infrarotbereich hergestellt werden. Dort werden oftmals sehr dünne Substrate eingesetzt, die sich stark verbiegen. Erfindungsgemäß kann auch dort die Schichtspannung reduziert werden.
Der Abstand des mindestens einen Substrats zu der mindestens einen
Magnetron-Elektrode beträgt vorzugsweise 5 bis 30 cm, bevorzugt 5 bis 20 cm, besonderes bevorzugt 6 bis 15 cm und ganz besonders bevorzugt 6 bis 12 cm. Ein geringer Abstand ist günstig, weil er es ermöglicht, Schichten mit ho her Dichte herzustellen. Allerdings ist ein sehr geringer Abstand ungünstig, weil es die vermehrte Bildung von Partikeln ermöglichen kann. Diese können elektrisch im Plasma gefangen gehalten werden und das durchlaufende Sub strat kann somit als Staubfänger fungieren.
Erfindungsgemäß besteht bei der Vorrichtung auch die Möglichkeit, den Ab stand zwischen den Elektroden und den Magnetrons wesentlich zu erhöhen, ohne dass es hierbei zu einer Einbuße in den Schichteigenschaften kommt. Notwendig sind bei den angestrebten Anwendungen sehr dichte und glatte sowie absorptionsfreie Schichten, wozu in der Regel hohe Teilchenenergien notwendig sind. Darüber hinaus muss der Prozessdruck möglichst klein sein, damit es nicht zu Stößen der gesputterten Teilchen auf dem Weg vom Target zum Substrat untereinander kommt. Dies kann erreicht werden dadurch, dass der Prozessdruck in der Sputterkammer auf einen Wert von unter 1x10-3 mbar abgesenkt werden kann. Das ist im erfindungsgemäßen Verfahren mög lich, weil die Plasmadichte im Bereich der Elektroden deutlich höher. Typi scherweise werden Magnetrons bei einem Druck von einigen 10-3 mbar (3x10-3 mbar bis 6x10-3 mbar) betrieben. Eine Druckvariation wirkt sich bei einer hochwertigen optischen Beschichtung in einer Oberflächenrauhigkeit aus. Diese kann mit einem AFM (Atomic force microscope) gemessen werden. Auch bei der Plasmaquelle kann über den Druck die Rauhigkeit eingestellt werden.
So hat beispielsweise eine Si02 Schicht von 2 um eine um 0,9nm höhere Rauigkeit gegenüber dem Substrat, wenn sie bei einem Druck an den
Magnetrons von 6x10-6 mbar hergestellt wird. Wird der Druck auf weniger als 3x10-3 mbar reduziert, sinkt die zusätzliche Rauhigkeit gegenüber dem Sub strat auf weniger als 0,lnm, wenn der Abstand zwischen Quelle und Subtrat ca. 7 cm groß ist. Allerdings besteht bei den Verfahren nach dem Stand der Technik das Problem, dass die Targetspannung mi sinkendem Druck ansteigt und damit die Neigung zum Arcing zunimmt.
Auch bei einer Tantalpentoxidschicht lässt sich ähnliches beobachten. Hier sind die zusätzliche Rauhigkeit einer 2 um dicken Ta205 Schicht auf 0,1 nm gegenüber 0,2nm oder mehr, wenn der Druck reduziert wird.
Bei einem Druck von 1x10-3 mbar, wie es erfindungsgemäß möglich ist, kann der Abstand verdreifacht werden, ohne dass eine zusätzliche Rauhigkeit der Schicht gegenüber dem Substrat auftritt.
Durch den geringeren Prozessdruck von 1x10-3 mbar oder geringer kann der Abstand deutlich auf 15 cm, oder 20cm oder mehr erhöht werden. Alternativ wird bei einem kleineren Abstand und einem Druck von 3x10-3 mbar die Targetspannung und damit die Arcingneigung reduziert.
Der Vorteil der Erfindung ist es, dass auch bei relativ geringem Abstand eine hohe Partikelfreiheit realisiert werden kann, weil das Plasma sehr dicht an das Target gezogen werden kann. Durch eine Druckabsenkung kann sogar der Abstand weiter erhöht werden, ohne dass es zu einer Einbuße in der Dichte der Schichten gibt.
Eine Einstellung kann über die Geometrie erfolgen. Da die Abnahme der Sputterrate proportional zum Kehrwert des Radius nach außen abnimmt, lässt sich bei einem gegebenen Gradient der Sputterrate über das
Doppelmagnetron über eine geeignete Geometrie der Gradient auf dem Sub strat einstellen. Wird der Radius für die Substratbewegung vergrößert, so ist die relative Abnahme der Rate nach außen hin kleiner und umgekehrt.
Der Vorteil dieses Abstandes ist, dass eine homogene Beschichtung von klei nen Bauteilen mit hoher Dichte und hoher Präzision ermöglicht wird. Bei hö heren Abständen von Magnetron-Elektrode zu Substrat sinkt die Präzision des Beschichtungsprozesses. Der Abstand zwischen dem Drehteller und den Wän den der Wänden der Magnetron-Sputtereinrichtung beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 mm. Dieser Abstand hat sich als besonders günstig erwiesen, um die Magnetron-Sputtereinrichtung gasdicht zu gestalten, d.h. eine effektive Gas raumtrennung innerhalb der Vorrichtung sicherzustellen. Die erfindungsgemäße Doppelmagnetronanordnung hat den Vorteil, dass pro Zeit, welche das Substrat bei der Magnetron-Sputtereinrichtung verbringt, verglichen mit einer Einzelmagnetronanordnung mehr Quellmaterial abge schieden werden kann. Die Folge ist eine wesentlich höhere Effizienz des Sputtering-Prozesses. Ferner können durch den Einsatz von
Doppelmagnetron-Anordnungen mit bipolarer Anregung bessere Langzeitsta bilitäten aufgrund der "nichtverschwindenden Anode" und höhere Plasma dichten in Kombination mit dichteren (aber auch stärker verspannten) Schich ten gewährleistet werden.
Erfindungsgemäß können Polymersubstrate günstiger beschichtet werden, weil die Temperatur der Entladung bedingt durch die geringere
Entladespannung oder/und den größeren Abstand reduziert werden kann.
Die Polymerbeschichtung kann erfindungsgemäß ebenfalls günstiger gestaltet werden, da mit sinkender Entladespannung auch der Temperatureintrag in die Schicht reduziert wird.
Folglich kann die Vorrichtung vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur Erzeu gung von Mittelfrequenz-Entladungen aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die Vorrichtung bevorzugt zwei, optional auch drei, Magnetron-Sputtereinrichtungen. Der Vorteil solcher Ausgestaltungen ergibt sich vor allem bei Multilayer- Beschichtungen, d.h. bei der Beschichtung eines Substrates mit mehreren verschiedenen Schichten. In diesem Fall können bei zwei Magnetron- Sputtereinrichtungen Stapel aus zwei Schichtarten generiert werden, welche unterschiedliches Material (Quellmaterial) aufweisen. Folglich ist im Fall von drei Magnetron-Sputtereinrichtungen die Möglichkeit gegeben, Stapel aus drei Arten von Schichten auf das Substrat zu sputtern, welche jeweils unter schiedliches Material aufweisen. Darüber hinaus lassen sich auch Materialmi schungen aus den jeweiligen Quellmaterialien hersteilen, d.h. gemischte Schichten können abgeschieden werden. Besonders im Bereich der sehr kom plexen optischen Multilagenfilter mit mehr als 100 Einzelschichten ist der Ein satz von zwei Magnetron-Sputtereinrichtungen zur Optimierung der Schicht eigenschaften sehr vorteilhaft. Je nach Anforderungen (z.B. spezielles Design) können sich auch drei oder mehrere Magnetron-Sputtereinrichtungen als vor teilhaft erweisen.
Es ist weiter bevorzugt, dass als Pulsform Rechteck- oder Sinus- Pulse verwen det werden, besonders bevorzugt mit einer Frequenz von 40 kHz. Dies führt zu einer stärkeren Inhomogenität des Plasmas entlang der Targetachse. Somit besteht die Möglichkeit, durch Einstellung der Pulsform und der Frequenz, die Verteilung selber nochmals zu beeinflussen. Dies hat zur Folge, dass die Kor rekturblende (Shaper-Blende) nicht mehr erforderlich ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Korrekturblende wesentlich weniger Beschich tungsmaterial erhält. Bei einer Standard-Ausführung ist bei einem Abstand des Substratmittelpunktes von 60cm vom Zentrum des Drehtellers und einem Substratdurchmesser von 200mm der Schichtdickengradient etwa 30%. Am inneren Rand des Substrates muss die Blende also 30% mehr Schicht abhalten als außen. Die Schichtdickenkorrektur verläuft dann über 30%. Zugleich erhält die Blende ca. das Achtfache der Rate, die auf dem Substrat ankommt. Der Vorteil der Erfindung ist es, dass die Blende nur noch wenige % korrigieren muss, weil auf dem Substrat eine schon fast homogene Beschichtung erreicht wird. Dadurch erhält die Blende sehr viel weniger Schicht als in der Standard- Konfiguration und kann viel länger eingesetzt werden. Zugleich kann die Ver teilung auch sehr viel genauer eingestellt werden, da nur noch wenige % der Schichtverteilung korrigiert werden müssen. Da auch die Blende viel weniger Schicht erhält, ist auch der Drift der Verteilung im Laufe der Beschichtung kleiner.
Damit bietet sich die Option, auch die Verteilung wesentlich genauer einzu stellen. Während in einer normalen Geometrie die Schichtrate von außen nach innen gemäß der Abhängigkeit 1/r zunimmt, kann erfindungsgemäß die Zunahme deutlich reduziert werden. Dies ermöglicht es auch, die Standzeit der Anlage (Reinigung) deutlich zu erhöhen. Insofern kann im günstigsten Fall auch die Plasmaimpedanz reduziert werden. Dies ist generell von Vorteil für die Sauberkeit der Beschichtung, weil die Neigung zu Bogenentladungen und damit die Bildung von Partikeln reduziert wird.
Die Erfindung kann auch dazu benutzt werden, einen stärkeren Gradienten zu erzeugen. Hierbei kann man den schon vorhandenen Schichtdickengradienten nochmals durch eine Blende erhöhen, ohne dass sehr scharfe Strukturen und Kanten an der Maske notwendig sind.
Je nach Magnetdesign kann das Plasma unterschiedlich weit in den Raum hin einreichen. Somit kann sich das Substrat entweder im Plasma oder außerhalb befinden, wobei der Übergang fließend ist. Hinsichtlich einer geringen Partikelbelastung ist es günstig, dass sich das Substrat außerhalb des Plasmas befindet, da sich Partikel oft in der Nähe elektrischer Felder gehalten werden. Andererseits ist ein kleiner Abstand zwischen Target und Substrat wegen der besseren Schichteigenschaften gewünscht. Das erfindungsgemäße Magnetde sign ermöglicht es, das Plasma dicht am Target aufzubauen.
Dies hat weiterhin Vorteile für eine gute Verteilung der Schichtdicke auf dem laufenden Substrat in der Laufrichtung. Kommt es nämlich beim Durchlauf des Substrates durch das Plasma zu Fluktuationen der Plasmadichte, kommt es zu Abweichungen von der Uniformität entlang der Laufrichtung. Dies kann zu stande kommen, wenn Elektronen entweder eine metallische Oberfläche (vom Drehteller) oder eine isolierende Oberfläche (des Substrats) sehen. Bei der leitfähigen Oberfläche würden Elektronen abgezogen, so dass dort weni ger Plasma entstehen kann und die Plasmadichte dort reduziert wird. Dies wird sich auch auf die Sputterrate aus, weil zu bestimmten Zeitpunkten weni ger Elektronen im Plasma vorhanden sind. Die Auswirkung ist ähnlich der des sog.„Picture Frame"-Effects (beschrieben in US 2007/0227882 Al). Dort füh ren bei inline Anlagen Druckstöße im Reaktivgas am Anfang und Ende der Glasscheiben zu Ratenänderungen, so dass an den Enden der Glasscheiben eine andere Schichtdicke vorherrscht. Allerdings sind die beiden Effekte in Ihrer Ursache unterschiedlich.
Die Magnetron-Sputtereinrichtung kann innerhalb des Vakuums eine effektive Gasraumtrennung für Gase von 1:25, besser 1:100, aufweisen. Eine effektive Gasraumtrennung zwischen den Beschichtungsstationen von 1:100 ermöglicht die Herstellung von klar definierten cogesputterten Materialien. Der Grund hierfür ist, dass Edelgas und/oder Reaktivgas einer Magnetron- Sputtereinrichtung daran gehindert wird, in eine weitere Magnetron- Sputtereinrichtung derselben Vorrichtung zu gelangen. Zudem kann durch die effektive Gasraumtrennung die Menge an Edelgas und/oder Reaktivgas präzi- ser auf einem bestimmten vordefinierten Wert eingestellt und/oder konstant gehalten werden.
Plasmen, basierend auf Magnetronentladungen, bestehen in der Regel zu mehr als 99 % aus nicht-ionisierten Teilchen. Diese können hohe Energien aufweisen und tragen daher stark zu Schichtspannungen bei. Sie lassen sich indirekt, beispielsweise durch Veränderung des Magnetfeld-Designs oder durch die Verwendung alternativer Sputtergase beeinflussen. Erfindungsge mäß kann das Sputtergas ein Edelgas enthalten oder daraus bestehen. Bevor zugte Edelgase sind Argon, Neon, Xeon und Krypton. Edelgasmischungen sind auch möglich. Das Reaktivgas kann erfindungsgemäß ein oxidierendes Gas enthalten oder daraus bestehen. Bevorzugte Reaktivgase sind Sauerstoff, Stickstoff, Tetrafluormethan, Octafluorcyclobutan, Kohlendioxid und Fluor wasserstoff. Auch Mischungen dieser Gase können verwendet werden.
Auch Wasserstoff kann eingesetzt werden.
Die Vorrichtung enthält bevorzugt ein Photometer. Dadurch wird ermöglicht, photometrisch die Dicke der Schicht auf dem Substrat während des
Sputtering-Prozesses zu kontrollieren. Dazu kann eine schnelle Breitbandmes sung (z.B. von 200-2000 nm) der Transmission oder Reflexion durchgeführt werden. Durch Vergleich mit dem theoretisch zu erwartenden Spektrum kann die Schichtdicke ermittelt und kontrolliert werden. In einigen Fällen kann zu sätzlich auch ein Schwingquarz zum Einsatz kommen, beispielsweise bei Kavitätenfiltern, bei denen man bei bestimmten Schichten eine nur geringe Signaländerung der Transmission erwartet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Sub strathalterung Polyetheretherketon auf oder besteht daraus. Die Verwendung von Polyetheretherketon hat den Vorteil, dass die Partikelbildung vermindert wird.
Weiter ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung ein Regelsystem zur Regelung und/oder Stabilisierung des Reaktivgases in der Magnetron- Sputtereinrichtung aufweist.
Der Vorteil dieser Regelung ist, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren keine dielektrische Schicht vom Target abgetragen wird, sondern das Target zu keiner Zeit mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist. Dies kann bei spielsweise dadurch realisiert werden, dass metallische Targets im sog.
"Transition Mode" betrieben werden. Hier befindet sich das zylindrische Quellmaterial (Target) durch geeignete Regelung des Generators permanent in einem metallischen, oxidfreien Zustand, während im Prozessraum genü gend Sauerstoff für die Oxidation der wachsenden Schicht vorhanden ist. Die oben genannten Stellgrößen werden in der Regel auf den Sauerstoffpartial druck oder die Spannung des Generators oder des Targets realisiert. Damit lässt sich in dem Prozess die Abscheidung stöchiometrischer Schichten mit einer hohen Abscheiderate erreichen, während der störende Einfluss von Par tikeln minimiert, d.h. eine hohe Partikelarmut erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Abscheidung uniformer Schich ten auf rotatorisch bewegten Substraten mittels Magnetron-Sputtern bereit gestellt, bei dem a) in einer Vakuumkammer mindestens ein Substrat auf einem Dreh teller angeordnet wird, um eine Beschichtung bei rotatorischer Bewegung des Substrates zu ermöglichen, b) mit mindestens einer aus einer linear ausgedehnten Doppel- Magnetronquelle bestehenden Beschichtungsquelle mindestens eine Schicht auf dem mindestens einen Substrat abgeschieden wird, wobei die Schichten aus Quellmaterial der Magnetron- Elektroden mit Sputtergas gebildet werden.
Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße eingesetzte Beschichtungsquelle eine inhomogene Plasmadichte aufweist, die eine inhomogene Abtragerate des Quellmaterials.
Erfindungsgemäße ist es bevorzugt, dass die Magnetron-Elektroden ein inho mogenes Magnetfeld aufweisen und/oder die Magnetron-Elektroden eine im Wesentlichen asymmetrisch gepolte Magnetkonfiguration aufweisen und/oder die Beschichtungsquelle einen Generator mit einstellbarer Pulsform und/oder Pulsfrequenz aufweist. Es ist bevorzugt, dass dass die inhomogene Abtragerate vom Drehteller- Mittelpunkt zum Drehteller-Rand zunimmt, bevorzugt linear zunimmt, beson ders bevorzugt proportional zum Abstand vom Drehteller-Mittelpunkt ist. Hierdurch resultiert auf dem Substrat eine weitgehend homogene Beschich tung ohne die Verwendung zusätzlicher Korrekturmasken.
Dabei ist es bevorzugt, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine Plasmaquelle verwendet wird, wobei die mindestens eine Plasmaquelle vorzugsweise die Oberfläche des Substrates über Plasmaeinwirkung vorbe handelt und/oder die mindestens eine Plasmaquelle vorzugsweise die Struk tur und/oder die Stöchiometrie der Schicht über Plasmaeinwirkung modifi ziert.
Als Sputtergas wird vorzugsweise ein Edelgas, insbesondere Argon, verwen det.
Zusätzlich zum Sputtergas kann vorzugsweise mindestens ein Reaktivgas ver wendet werden, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Fluorwasserstoff,
Tetrafluormethan, Octafluorcyclobutan und Mischungen hiervon.
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass zur Prozesskontrolle die Dicke der Schicht auf dem Substrat durch mindestens eine der Maßnahmen a) bis e) kontrolliert wird:
a) optisches Transmissionsmonitoring;
b) optisches Reflexionsmonitoring;
c) optisches Absorptionsmonitoring;
d) Einwellenlängenellipsometrie oder Spektralellipsometrie; und/oder e) Schwingquarzmessung.
Für die Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise die erfindungsgemä ße Vorrichtung eingesetzt. Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezi fischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Drehteller in der Drauf sicht
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Drehteller in der Drauf sicht
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittdarstellung
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit symmetri scher Polung
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit asymmetrischer Polung
Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die zeitabhängige Spannungsdifferenz zwi schen den Targets bei einer Sinusanregung von 40 kHz
Fig. 7 zeigt schematisch eine Visualisierung der gemittelten lonenstromdich- te auf zylindrischen Targets
Fig. 8 zeigt ein Diagramm, in dem die über Zeit und Targetfläche gemittelte lonenstromdichte für die Konfiguration„Even" dargestellt ist
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, in dem die über Zeit und Targetfläche gemittelte lonenstromdichte für die Konfiguration„Odd" dargestellt ist
Fig. 10 zeigt anhand eines Diagramms den Vergleich der Emissionsprofile für Argon-Ionen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Ver fahren gemäß Stand der Technik
Fig. 11 zeigt den Vergleich der sich auf dem Substrat ergebenden Beschich tungsrate ohne separate Uniformitätsblende erfindungsgemäß und nach dem Stand der Technik. Fig. 1 zeigt schematisch in der Draufsicht eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Drehteller. Die Vorrichtung weist drei Magnetron- Sputtereinrichtungen 2, 3, 4 auf, wovon eine in der Einzelmagnetronanordung 2 und zwei in der Doppelmagnetronanordnung 3, 4 ausgestaltet sind. Die Magnetron-Sputtereinrichtungen 2 enthält eine Magnetron-Elektrode 5, Sputtergas 11, optional Reaktivgas 8 und befindet sich im Vakuum 1. Die Magnetron-Sputtereinrichtungen 3, 4 enthalten jeweils zwei Magnetron- Elektroden 6, 7, Sputtergas 11, optional Reaktivgas 8 und befinden sich im Vakuum 1. In der Nachbarschaft der Magnetron-Sputtereinrichtungen 2, 3, 4 befindet sich eine Plasmaquelle 12 und ein Photometer 16 und/oder eine Ellipsometrieflansche 17.
Figur 2 zeigt schematisch in der Draufsicht eine bevorzugte Ausgestaltung des Drehtellers. Der Drehteller 10 befindet sich in der Vorrichtung und weist in diesem Beispiel zehn identische Substrathalterungen 9 auf.
Figur 3 zeigt schematisch in der Seitenansicht eine bevorzugte Ausgestaltungs form der Vorrichtung mit Drehteller 10. Es ist der Querschnitt einer
Magnetron-Sputtereinrichtung sichtbar, welche zwei Zylinder aus Quellmate rial 6, 7 enthält (Doppelmagnetronanordnung). Die Magnetron- Sputtereinrichtung ist an den Seiten von Begrenzungswänden 14, 15 und oben durch den Drehteller 10 gasdicht vom Rest der Vorrichtung abgegrenzt, ent hält Sputtergas 11, optional Reaktivgas 8, und ist unter Vakuum 1. Zwei Sub strathalterungen 9 des Drehtellers 10 sind in dem Querschnitt dargestellt bzw. sichtbar. Oberhalb des Drehtellers 10 befindet sich ein Deckel 13, welcher mit Begrenzungswänden, welche sich seitlich des Drehtellers 10 befinden, die Vorrichtung gasdicht abschließt.
In Fig. 4 ist eine Sputtervorrichtung gemäß dem Stand der Technik dargestellt, die eine zylindrische Dual-Magnetron-Anordnung mit symmetrischer Polung aufweist.
Der Generator versorgt die Quellen mit bipolar gepulster Spannung, wobei die Pulse sinus-, rechteckförmig oder auch andere Pulsmuster haben können. In Fig. 5 ist eine Sputtervorrichtung erfindungsgemäß dargestellt, die eine zy lindrische Dual-Magnetron-Anordnung mit asymmetrischer Polung aufweist. Der Generator versorgt die Quellen in diesem Beispiel mit mit bipolar gepuls ter Spannung, wobei die Pulse sinusförmig sind. Die Korrekturblende ist hier bei weitgehend aus dem Beschichtungsbereich herausgenommen.
Die in Fig. 5 dargestellte, zylindrische Dual-Magnetron-Anordnung wurde mit tels Particle-in-Cell Plasmasimulation untersucht.
Die Simulationsparameter sind im Folgenden zusammengestellt:
Modelldimension 800 x 600 x 400 mm2
Zell-Anzahl: 100 x 150 x 100
Zeitschritt: 5e-ll s
Zeitintervall: 250 ps
Länge zyl. Targets: 513 mm
Targetdurchmesser: 138 mm
Anregungsfrequenz: 40 kHz
Modellierte Leistung: 1 W (zeitl. Mittel)
Max. Spannungsdifferenz: 1000 V
Sekundärelektronenausbeute: 12%
Elektroneneinfang am Target: 100%
Magnetische Remanenz: 1.4 T
Magnetische Suszeptibilität: 1.05
Suszeptibilität vom Joch: 1000
Magnetverkippung: ±6° nach innen
Die elektrische Einspeisung erfolgt bipolar in die beiden zylindrischen Targets. Dabei wird die Spannungsdifferenz zwischen den Targets vorgegeben, die Po tentialdifferenz zur Masse (= Kammerwand) ergibt sich während der Simulati on automatisch anhand der Aufnahme positiver und negativer Ladungen. Die Targets werden periodisch in Form eines Sinussignals umgepolt, die Anre gungsfrequenz beträgt 40 kHz.
Für die Magneten wird zunächst ein Modell eines handelsüblichen Magnet satzes für zylindrische Targets angenommen. Beide Magnetsätze sind im Mo- dell um 10° zur Mitte hin verkippt. In der Standardausführung sind beide Magnetsätze gleich gepolt, d.h. Oberseite des äußeren Magnetrings auf Nord pol, Oberseite des inneren Magneten auf Südpol. Diese Konfiguration wird im Folgenden als„even" bezeichnet. Im erfindungsgemäßen Fall ist der zweite Magnetsatz (auf der rechten Seite in Fig. 5) umgekehrt gepolt, diese Konfigu ration wird im Folgenden als„odd" bezeichnet.
Während der Simulation wird fortlaufend die dissipierte Plasmaleistung er fasst (anhand der kinetischen Energie geladener Teilchen vor und nach einem Zeitschritt) und jeweils über 0.1 ps akkumuliert. Durch Vergleich von Soll- und Ist-Leistung wird mittels eines Proportionalreglers die Spannungsdifferenz zwischen den Targets geregelt. Die resultierenden, zeitabhängigen Kurven von Spannung und Leistung können Fig. 6 entnommen werden. Generell dauert es länger als 50 ps, bis ein quasistationärer Entladungszustand angenommen wird. Weiterhin fällt auf, dass sich in der erfindungsgemäßen„odd"- Konfiguration im Gleichgewicht eine geringere Spannungsdifferenz einstellt, d.h. die Entladung erfolgt mit niedrigerer Impedanz. Die lonenstromprofile auf dem Target zur Bestimmung der Sputtererosions-Verteilung werden daher über die letzten 12 Halbwellen, d.h. im Zeitintervall von 102.5 ps bis 250 ps in Schritten von 2.5 ps, gemittelt. Die lonenströme in 3-dimensionaler Ansicht sind in Fig. 7 dargestellt. Die aus den lonenströmen akkumulierte lonenstrom- dichte an den Targets zeigt eine diagonalsymmetrische Verteilung für die "even"-Konfiguration (s. Fig. 8) sowie eine einseitige Verteilung für die„odd"- Konfiguration (s. Fig. 9).
Weiterhin ist zu sehen, dass der Absolutwert der Stromdichte bei der„odd"- Konfiguration höher ist, was mit der bereits erwähnten, niedrigeren Plasma impedanz zusammenhängt. Eine niedrigere Plasmaimpedanz ist vorteilhaft, solange die Spannung für den Sputtereffekt ausreichend ist, weil allgemein die Neigung zu unerwünschten Entladungen (Ares) reduziert wird. Die höhere lonenstromdichte in der Fig. 9 ist auch vorteilhaft, weil sie zu einer höheren Rate führt.
Fig. 10 zeigt die kumulierte lonenstromdichte am Target bei einer zweiten Anordnung. Hierbei wird der Gradient der lonenstromdichte umgekehrt, so dass nach außen eine geringe Abtragerate resultiert. Mit einer weiteren Vertrilungsmaske kann man damit einen stärkeren Schichtdickengradienten erzeugen.
Da die Targets während der Beschichtung rotieren und die Substrate auf dem Drehteller über beide Targets hinwegrotieren, ist sowohl für das Erosionspro fil auf dem Target als auch für die Schichtdickenverteilung das über die Targetfläche gemittelte lonenstromprofil maßgeblich. Bei annähernd konstan ter Energieverteilung der Ar+ Ionen auf dem Target ist das lonenstromprofil proportional zur Sputterrate. In Fig. 11 ist dieses für ein Zeitmittelungsinter vall von 100 - 250 ps, d.h. über 12 Halbzyklen der Sinusanregung - gezeigt.
Für die„Even"-Anordnung ist erkennbar, dass im Bereich der Substrate eine anfallende Beschichtungsrate resultiert. Dieser Bereich umfasst die Radialpo sition 270 bis 470mm (Substratdurchmesser 200mm). Mit einer Maske muss dann die Rate innen nach innen hin auf den minimalwert von 70 (relative Ra te) eingestellt werden.
In der„Odd"-Anordnung ergibt sich auf den Substraten dagegen ein annä hernd glattes, homogenes Schichtdickenprofil auch ohne Uniformitätsmaske. Bei korrekter Anordnung der Magnetpolung kann mit der„Odd"- Konfiguration somit die Abnahme der Schichtdicke über den Drehtellerradius annähernd kompensiert werden. Somit muss nur noch ein geringer Teil des Beschichtungsstroms zum Substrat abgeblendet werden, und bei gleicher Sputterleistung ergibt sich eine höhere Beschichtungsrate.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Abscheidung uniformer Schichten auf rotatorisch be wegten Substraten mittels Magnetron-Sputtern enthaltend a) eine Vakuumkammer,
b) mindestens einen Einlass für ein Sputtergas,
c) einen Drehteller mit mindestens einer Substrathalterung und d) mindestens einer aus einer linear ausgedehnten Doppel- Magnetronquelle bestehenden Beschichtungsquelle und die Dop pel-Magnetronquelle aus zwei linearen Magnetron-Elektroden be steht, wobei die Beschichtungsquelle eine inhomogene Plasma dichte aufweist, die eine inhomogene Abtragerate ermöglicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetron-Elektroden ein inhomo genes Magnetfeld aufweisen und/oder die Magnetron-Elektroden eine im Wesentlichen asymmetrisch gepolte Magnetkonfiguration aufwei sen und/oder die Beschichtungsquelle einen Generator mit einstellba rer Pulsform und/oder Pulsfrequenz aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Abtragerate vom Dreh- teller-Mittelpunkt zum Drehteller-Rand zunimmt, bevorzugt linear zu nimmt, besonders bevorzugt proportional zum Abstand vom Drehtel- ler-Mittelpunkt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Plas maquelle aufweist, bevorzugt zur Vorbehandlung der Substratoberflä- che und/oder zur Modifizierung der Struktur und/oder der Stöchio metrie der Schicht.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Doppel- Magnetronquelle aus Magnetron-Elektroden aus einem zylindrischen oder planaren Quellmaterial sowie einer Halterung für dieses Material und einem dazugehörigen Target besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Magnetron- Elektrode ein Targetmaterial umfasst, enthaltend oder bestehend aus a) keramischem Material oder Materialmischungen;
b) thermisch gespritztem Material oder Materialmischungen; c) kristallinem Material;
d) metallischem Material oder Materialmischungen; und/oder e) einem Oxid-haltigen Material und
f) Mischungen hiervon.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand vom Substrat zu der min destens einen Magnetron-Elektrode von 5 bis 30 cm, vorzugsweise 5 bis 20 cm, besonderes bevorzugt 6 bis 15 cm und ganz besonders be vorzugt 6 bis 12 cm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Drehteller und Begrenzungswänden der Magnetron-Sputtereinrichtung 0,1 bis 5 mm beträgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine im Mittelfrequenz bereich gepulste oder eine gepulste Gleichstromversorgung (DC ge pulst) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Photometer, Ellipsometrieflansche und/oder ein Bauelement, welches eine Polarisa tionswirkung ausübt, enthält.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Regelsystem zur Re gelung und/oder Stabilisierung des Partialdruckes in der Magnetron- Sputtereinrichtung aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einheit zur Verkippung und/oder Verdrehung der Magnetsätze in den Magnetron- Elektroden aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Kor rekturblende aufweist.
14. Verfahren zur Abscheidung uniformer Schichten auf rotatorisch be wegten Substraten mittels Magnetron-Sputtern, bei dem a) in einer Vakuumkammer mindestens ein Substrat auf einem Dreh teller angeordnet wird, um eine Beschichtung bei rotierender Be wegung des Substrates zu ermöglichen, b) mit mindestens einer aus einer linear ausgedehnten Doppel- Magnetronquelle bestehenden Beschichtungsquelle mindestens eine Schicht auf dem mindestens einen Substrat abgeschieden wird, wobei die Schichten aus Quellmaterial der Magnetron- Elektroden mit Sputtergas gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsquelle eine inhomo gene Plasmadichte aufweist, die eine inhomogene Abtragerate des Quellmaterials bewirkt.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetron-Elektroden ein inhomo genes Magnetfeld aufweisen und/oder die Magnetron-Elektroden eine im Wesentlichen asymmetrisch gepolte Magnetkonfiguration aufwei sen und/oder die Beschichtungsquelle einen Generator mit einstellba rer Pulsform und/oder Pulsfrequenz aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Abtragerate vom Dreh- teller-Mittelpunkt zum Drehteller-Rand zunimmt, bevorzugt linear zu nimmt, besonders bevorzugt proportional zum Abstand vom Drehtel- ler-Mittelpunkt ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren mindestens eine vor zugsweise Plasmaquelle verwendet wird, wobei die mindestens eine Plasmaquelle vorzugsweise die Oberfläche des Substrates über Plas maeinwirkung vorbehandelt und/oder die mindestens eine Plasma quelle vorzugsweise die Struktur und/oder die Stöchiometrie der Schicht über Plasmaeinwirkung modifiziert.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass als Sputtergas ein Edelgas, insbesondere Argon, verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Sputtergas mindestens ein Reaktivgas verwendet wird, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendio xid, Formiergas, Fluorwasserstoff, Acethylen, Tetrafluormethan, Octafluorcyclobutan und Mischungen hiervon.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Prozesskontrolle die Dicke der Schicht auf dem Substrat durch mindestens eine der Maßnahmen a) bis e) kontrolliert wird:
a) Zeitkontrolle
b) optisches Transmissionsmonitoring;
c) optisches Reflexionsmonitoring;
d) optisches Absorptionsmonitoring;
e) Einwellenlängenellipsometrie oder Spektralellipsometrie; und/oder f) Schwingquarzmessung.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 13 verwendet wird.
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