EP4103760A1 - Device and method for producing layers with improved uniformity in coating systems with horizontally rotating substrate and additional plasma sources - Google Patents

Device and method for producing layers with improved uniformity in coating systems with horizontally rotating substrate and additional plasma sources

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EP4103760A1
EP4103760A1 EP21706497.1A EP21706497A EP4103760A1 EP 4103760 A1 EP4103760 A1 EP 4103760A1 EP 21706497 A EP21706497 A EP 21706497A EP 4103760 A1 EP4103760 A1 EP 4103760A1
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EP
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sputtering
substrate
source
magnetron
plasma
Prior art date
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Pending
Application number
EP21706497.1A
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German (de)
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Inventor
Michael Vergöhl
Andreas Pflug
Tobias Zickenrott
Stefan Bruns
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • H01J2237/33Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/332Coating

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for producing
  • Layers with adjustable uniformity in coating systems with horizontally rotating substrate guides can be set.
  • the particle load is significantly reduced.
  • the service life is significantly longer compared to other processes.
  • Para- situs coatings are reduced.
  • the coating rate is also increased.
  • the layer thicknesses can be between a few nm and several pm, depending on the function and wavelength range.
  • Materials are, for example, S1O2, Ta20s, Nb2Ü5, Hf02, ZrC> 2, T1O2.
  • Amorphous, hydrogen-containing Si materials (a-Si: H) are also used.
  • a desired layer function is achieved by suitable stacking of the layer sequence on top of one another.
  • This can be a bandpass filter or an edge filter, for example. Coatings to control the phase position of the reflected or transmitted light are also possible.
  • the spectral position of the edge or the bandpass is decisive for the function of the coating. There is therefore great interest in achieving uniform layers on the material to be coated. In other applications, layers are also required in which a certain layer profile is desired. This is the case for bandpass filters where the central wavelength depends on the position (gradient filter). Gradient filters of this kind are used, for example, on photosensitive sensors in image processing. These often have a coating width of a few 10mm and continuously map a central wavelength range from approx. 190 nm to 1100 nm. With a central wavelength of 190 nm for a 30 mm long sensor, only about 1/6 of the layer thickness is required as with 10000 nm. As the sensor area becomes smaller, the layer thickness gradient would increase further, so that steeper gradients would have to be implemented.
  • 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 produced with a number of layers less than 4 and more than 100, often with a thickness of less than 1 miti and more than 10 miti, or even several tens of miti.
  • Another requirement is to introduce as few defects as possible into the layer. These can be caused, for example, by the flaking of parasitic coatings from chamber walls or from system components that are located in the area of the coating. Particles can also accumulate in the plasma for a longer period of time and possibly continue to grow there due to the coating flow.
  • low-particle optical layers can take place with a magnetron sputtering device, as is known, for example, from US Pat. No. 9,803,276 B2.
  • a magnetron sputtering device as is known, for example, from US Pat. No. 9,803,276 B2.
  • the production of low-particle coatings is shown, the cleanliness of the coating is achieved through the use of 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 there is no provision for substrate subrotation (satellite movement), a layer thickness profile results on the substrate which inversely proportional to the radius to the center of rotation increases.
  • the layer uniformity is therefore set using masks that restrict the coating flow locally.
  • the mask lies between the source and the substrate; usually close to the substrate in order to be able to adjust the layer distribution as precisely as possible.
  • the mask is thus directly in the coating area. Since, in contrast to the moving substrates, the mask is usually attached statically, it receives a large amount of material.
  • a correction diaphragm receives a rate about 5-10 times as large as the substrates themselves.
  • the diaphragm already receives 100 .mu.m.
  • the material supply is very large, so that in principle a service life of several months would be possible. For example, if these targets have a service life of 8000 kilowatt hours, a service life of 67 days would be possible with an output of 5 kW.
  • a layer thickness of 480 ⁇ m could thus be deposited on the substrate without the target having to be replaced. If you add the second material, the layer thickness on the uniformity diaphragms would accumulate to over 5mm. However, it is beneficial not to exceed a certain thickness of approx. 1 mm on the uniformity diaphragms.
  • Oxygen is added at the location of the magnetron, so that a substoichiometric layer is deposited first. This layer is oxidized through with a subsequent plasma source. The layer thickness distribution is adjusted by means of so-called “correction masks", which remove a greater proportion of the coating in the inner area than in the outer area is highly variable towards the ends.
  • 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.
  • a method is known from US Pat. No. 8,574,409 in which a set of magnets rotates in an annular magnetron and the power is periodically modulated at a certain frequency in order to improve the uniformity of the layer distribution.
  • magnetron sources are used in sputtering systems Mission.
  • a so-called drum geometry is described in US Pat. No. 4,851,095.
  • the sources are usually located as a linear source on the side walls of a chamber.
  • the substrates are located inside on a rotating drum.
  • layer distributions on the substrate can be influenced along the target axis by changing the distance between individual magnets and the target surface. Individual magnets are reset here. This method is called "UniTune" and enables the distribution to be set to +/-!% Without a shaper. The setting is therefore possible within very narrow limits (a few%).
  • Magnetron arrangements can be unbalanced as well as balanced.
  • some electrons are no longer held on the target, but instead follow the magnetic field lines in the direction of the substrate.
  • the plasma expands further to the substrate, and it can, for example, a better compression of the layer he follow.
  • Arnell et al. also propose a closed-field arrangement with double magnetrons, in which magnetrons lying next to one another have opposite polarity (dual-co-planar closed field arrangement).
  • a better plasma density and the possibility of producing better materials are seen as advantages of this arrangement. It is proposed there to work in a "closed field" arrangement.
  • Several magnetron sources are required on the chamber.
  • the polarity of the magnets is not the same for all sources, but is opposite to the adjacent cathode. While a cathode has a polarity NSN , the adjacent cathode has a polarity SNS. 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 purpose of the closed field arrangement is to produce denser layers with better properties.
  • the magnetrons can be linear sources, round sources or else cylindrical sources. These can be operated with direct current (DC) or alternating current (AC) in the medium frequency range (10-20 kHz). Radio frequencies (RF, mostly 13.56 MHz) are also used in 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 twisting of the magnets, which causes a (decoupling) of the magnetic fields. In the case of a turntable arrangement, tilting of the distribution can thus be made possible. However, this approach is only suitable for small changes in the distribution and still relies on the use of masks.
  • US Pat. No. 8,574,409 describes a system in which a power modulation as a function of the rotation of a magnet set is used in an annular magnet. From US2005 / 0061666 A1 magnets are known which are moved during operation by planar magnets ("sweeping"), so that a higher target utilization results. Often so-called.
  • Shunts are used to influence the magnetic field in magnetrons (US 5,415,754).
  • the shunts are ferromagnetic plates that are placed below the target between the rows of magnets. This means that the field lines between the racetracks run flatter on the target.
  • the disadvantage is that a magnetic barrier for the electrons is built up between the targets in bipolar processes Usually the impedance and thus also the discharge voltage of the generator. This is unfavorable because a high voltage can lead to increased particle formation. 3D effects often occur with magnetron discharges.
  • the "cross-corner" effect is known, for example (Siemers, M. et al., Proc. 51 st SVC Tech.
  • An ion cannon directed at the substrate can additionally densify the layer.
  • a shield and a gas inlet were provided around the target. That has the purpose of locally increasing the pressure on the magnetron so that the target can run stably. Without the shield, the pressure on the magnetron would be too low to ignite the plasma.
  • a device for the deposition of uniform layers on rotationally moving substrates by means of magnetron sputtering contains the following components: a) a vacuum chamber with a sputtering compartment, b) at least one inlet for a sputtering gas, c) a turntable with at least one substrate holder and d) at least one magnetron sputter source arranged in the sputtering compartment with at least one electrode, at least one further microwave plasma source being arranged in the sputtering compartment.
  • the essence of the present invention is based on the fact that an inhomogeneous, ie locally different, plasma density is generated, which makes it possible that the removal rate can be set inhomogeneously in a targeted manner.
  • the inhomogeneity can also be set in such a way that a certain distribution is generated on the substrate in the direction of travel.
  • the plasma density at the magnetron sputtering source is increased so that the sputtering process can also be operated at lower pressure.
  • the locally different plasma density is brought about by the use of at least one microwave plasma source, which generates the plasma in a spatially limited area.
  • the at least one microwave plasma source is preferably an ECR microwave plasma source or a plasma source which has the option of magnetic constriction.
  • One or more microwave plasma sources are arranged in the sputtering area and their power can be set and regulated individually.
  • the distribution of the coating rate is changed in the longitudinal direction, i.e. along the target axis of the magnetrons. Influencing the distribution in the running direction of the substrates is also conceivable. This makes it possible to produce layers of high and stable uniformity on the substrate during the coating process.
  • the distribution can also be regulated by measuring the layer thicknesses on the substrate.
  • the present invention relates to a new configuration of microwave plasma sources for linear magnetron electrodes arranged in relation to one another, with which a coating with very high and stable uniformity can be achieved with substrates to be coated rotie rend (turntable arrangement).
  • the asymmetry is achieved in that the microwave plasma source (s) can be individually adjusted in terms of their power and can also be arranged asymmetrically.
  • the sputtering pressure can also be reduced, so that the distance between the substrate and the sources can be increased.
  • the device according to the invention and the method according to the invention show the advantage that the distribution of the layer thicknesses can be adjusted very quickly and during the coating process. After all, the Discharge can also be operated at low pressure below 3x10-3 mbar, so that with the same energy input into the substrate, a coating with a greater distance is also possible.
  • microwave plasma sources that can be used according to the invention are in principle not limited.
  • Semiconductor-based sources can be built very compactly, so that a relatively spatially limited plasma is generated.
  • the one or more plasma sources can be arranged below the magnet rons or laterally on the chamber walls. The advantage of this arrangement is that the power of the sources can be changed quickly or switched off completely. This would not be possible with an arrangement based solely on controlling the magnetic field strength.
  • the layer thickness distribution on the substrate can also be changed.
  • 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 a high impedance, such as silicon, or materials with poor conductivity. But also with other materials such as tantalum, niobium, either of metallic targets or of targets that contain metallic components, a low discharge voltage is favorable because this reduces the tendency to arc discharges. These generally lead to particles. This is also particularly advantageous in processes such as the Metamode process, where work is carried out without reactive gas in the area of the sputtering sources. Reactive gas often reduces the discharge voltage.
  • the inhomogeneous removal rate increases from the turntable center point to the turntable edge, preferably increases linearly, particularly preferably is proportional to the distance from the turntable center point. This results in a largely homogeneous coating on the substrate without the use of additional correction masks.
  • the device preferably has at least one additional plasma source via the microwave plasma source arranged in the magnetron compartment, which is spatially separate at its own station.
  • This additional plasma source is then preferably used for post-oxidation of the growing layer.
  • a pretreatment of the substrate surface and / or modification of the structure and / or the stoichiometry is also possible.
  • the additional plasma source should be spatially separated from the magnetron compartment in order to avoid interactions.
  • the turntable of the device can rotate at a speed of 1-500 U-min-1, preferably 80-300 U-min-1.
  • a fast rotation of the turntable in the range of 100-250 rpm can be advantageous.
  • the at least one magnetron sputter source is preferably a double magnetron source with electrodes made of a cylindrical or planar source material and a holder for this material and an associated target.
  • the at least two electrodes can be operated electrically by means of bipolar pulses.
  • sine or square pulses can be used, whereby the frequency can also be changed.
  • the sputtering frequency can be changed in a range from a few kHz to several 100 kHz. Frequencies between 10 kHz and 100 kHz, particularly preferably 20-60 kHz, are used.
  • the magnetron sputter sources can be used in a sputter-down or also in a sputter-up arrangement.
  • the at least one electrode preferably has a target which contains or consists of at least one of the following components: a) ceramic material or material mixtures; b) thermally sprayed material or material mixtures; c) sintered material or material mixtures d) crystalline material; e) metallic material or material mixtures; and / or f) an oxide-containing material or g) mixtures thereof.
  • the electrode preferably consists of a target containing metal / semiconductors or consisting of ceramic material.
  • the discharge voltage of the plasma can be reduced, which can lead to a reduction in the layer voltage.
  • the at least one electrode can contain a target.
  • a target can consist of a metal or silicon or also contain or consist of an oxide-containing material.
  • Oxide-containing materials have the advantage that they provide a source of oxygen. Sometimes extra oxygen is required in the sputtering area, for example because the oxygen in the plasma source is insufficient for oxidation or because higher coating rates are to be achieved. In this case, it is beneficial to take the oxygen directly from the target, i.e. the magnetron electrode, because this results in greater stability compared to a target made of metal and oxygen as the reactive gas.
  • the reactive coating of a metallic (or silicon) target using reactive gas leads to a rate instability if the oxygen partial pressure is not kept exactly constant, since the rate of a metallic target can be significantly different compared to the rate of the corresponding oxide. If the target contains the reactive gas (oxygen, nitrogen), the rate is independent of whether it is covered with an oxide layer.
  • Preferred oxide-containing materials are TiOx, TaOx, NbOx, ZrOx, ZrOx: Y, CeOx, ScOx, HfOx, AlOx, SiOx, ZnOx, InSnOx and / or SnOx, with x being particularly preferably selected so that the target just has conductivity, but at the same time x is close to 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 severely are often used there. According to the invention, the layer tension can also be reduced there.
  • the distance between the at least one substrate and the at least one magnetron electrode is preferably 5 to 40 cm, more preferably 5 to 30 cm, particularly preferably 10 to 20 cm.
  • a small spacing is beneficial because it enables layers to be made with high density.
  • a very short distance is unfavorable because it can enable the increased formation of particles. These can be kept electrically trapped in the plasma and the substrate running through can thus function as a dust collector.
  • the distance can also be flexibly designed for the respective application.
  • the distance should be about 6-10 cm, while at a pressure of 1c10 L -3 mbar the distance can also be about 18-30 cm in order to achieve the same layer properties.
  • the device also has the option of significantly increasing the stand between the electrodes and the magnetrons without any loss in the layer properties.
  • the intended applications require very dense, smooth and absorption-free layers, for which, as a rule, high particle energies are necessary.
  • 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 lowering the process pressure in the sputtering chamber to a value below 1c10 L -3 mbar. This is possible, please include in the method according to the invention, because the plasma density in the area of the electrodes is significantly higher.
  • magnetrons are at a pressure of a few 10 L -3 mbar (3c10 L -3 mbar to 6c10 L -3 mbar).
  • a pressure variation has the effect of a surface roughness in a high-quality optical coating. This can be measured with an AFM (atomic force microscope). The roughness of the microwave plasma source can also be adjusted via the pressure.
  • an SiO 2 layer with a thickness of 2 ⁇ m has a roughness that is 0.9 nm higher than that of the substrate if it is produced at a pressure of 6 ⁇ 10 ⁇ 6 mbar on the magnetrons. If the pressure is reduced to less than 3 ⁇ 10 -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 approximately 7 cm.
  • the target voltage increases with decreasing pressure and thus the tendency to arcing increases.
  • tantalum pentoxide layer Something similar can also be observed with a tantalum pentoxide layer.
  • the additional roughness of a 2 ⁇ m thick Ta205 layer drops to 0.1 nm compared to 0.2 nm or more when the pressure is reduced.
  • the distance can be tripled without any additional roughness of the layer in relation to the substrate.
  • the distance can be increased significantly to 15cm, or 20cm or more.
  • the target voltage and thus the tendency to arcing is reduced.
  • the advantage of the invention is that a high degree of freedom from particles can be achieved even with a relatively small distance, because the plasma can be drawn very close to the target. By lowering the pressure, the distance can even be increased further without any loss in the density of the layers.
  • a setting can be made via the power of the at least one microwave plasma source. Since the decrease in the sputtering rate is proportional to the In the case of a given gradient of the sputtering rate over the double magnetron, the gradient on the substrate can be set using a suitable geometry. If the radius for the substrate movement is increased, the relative decrease in the rate towards the outside is smaller and vice versa.
  • the advantage of this distance is that small components can be coated homogeneously with high density and high precision. If the distance from the magnetron electrode to the substrate is greater, the precision of the coating process decreases.
  • the distance between the turntable and the walls of the magnetron sputtering device is preferably 0.1 to 5 mm. This distance has proven to be particularly advantageous in order to make the magnetron sputtering device gas-tight, i.e. 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 deposited per time that the substrate spends in the magnetron sputtering device compared with a single magnetron arrangement. The result is a much higher efficiency of the sputtering process. Furthermore, better long-term stabilities due to the "non-disappearing anode" and higher plasma densities in combination with denser (but also more strongly stressed) layers can be guaranteed through the use of double magnet arrangements with bipolar excitation.
  • polymer substrates can be coated more cheaply because the temperature of the discharge can be reduced as a result of the lower discharge voltage and / or the greater distance.
  • the polymer coating can also be designed more favorably, since as the discharge voltage decreases, the temperature input into the layer is also reduced.
  • 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 designs arises above all in the case of multilayer coatings, ie when a substrate is coated with several different layers.
  • stacks of two types of layers can be generated which have different material (source material).
  • source material material
  • material mixtures can also be produced from the respective source materials, ie mixed layers can be deposited.
  • the use of two magnetron sputtering devices for optimizing 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 generator for the microwave plasma source can ideally be quickly modulated or switched in terms of output. This means that the layer thickness gradient can be changed quickly.
  • square or sine pulses can be used as the pulse shape, particularly preferably with a frequency of 40 kHz. Influencing the layer thickness distribution has the consequence that the correction diaphragm (shaper diaphragm) is no longer required. Alternatively, there is also the possibility that the correction diaphragm receives significantly less coating material.
  • the layer thickness gradient is about 30%. On the inner edge of the substrate, the screen must hold off 30% more layer than on the outside.
  • the layer thickness correction is then more than 30%.
  • the aperture receives approximately eight times the rate that arrives on the substrate.
  • the advantage of the invention is that the diaphragm only needs to correct a few% because an almost homogeneous coating is achieved on the substrate.
  • the panel has a much less layer than in the standard configuration and can be used for much longer.
  • the distribution can also be set much more precisely, since only a few% of the layer distribution are corrected Need to become. Since the diaphragm also receives a much less layer, the drift of the distribution in the course of the coating is also smaller.
  • the layer rate increases from the outside to the inside according to the dependency 1 / r, according to the invention the increase can be significantly reduced or set as desired. This also makes it possible to significantly increase the service life of the system (cleaning), since the masks can be made smaller. To this extent, in the most favorable case, the plasma impedance can also be reduced. This is generally advantageous for the cleanliness of the coating because the tendency to arc discharges and thus the formation of particles is reduced.
  • the invention can also be used to create a stronger gradient.
  • the already existing layer thickness gradient can be increased again by means of a diaphragm, without the need for very sharp structures and edges on the mask.
  • the plasma can reach different distances into the room.
  • the substrate can be either in the plasma or outside, the transition being fluid.
  • the substrate With regard to a low particle load, it is favorable that the substrate is located outside the plasma, since particles are often kept in the vicinity of electrical fields.
  • the method according to the invention makes it possible to decouple the plasma from the substrate. This has advantages for a good distribution of the layer thickness on the running substrate in the running direction. If there are fluctuations in the plasma density when the substrate passes through the plasma, there will be deviations from the uniformity along the direction of travel. This can happen when electrons see either a metallic surface (off the turntable) or an insulating surface (the substrate).
  • Electrons would be withdrawn from the conductive surface, so that less plasma can be generated there and the plasma density is reduced there. This will also have an impact on the sputtering rate, because fewer electrons are present in the plasma at certain times. A sputtering back effect can also occur here. The effect is similar to that of the so-called. "Picture Frame" effects (described in US 2007/0227882 A1). In inline systems, pressure surges in the reactive gas at the beginning and end of the glass panes lead to rate changes, so that a different layer thickness prevails at the ends of the glass panes Effects differ depending on their cause.
  • 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 of 1: 100 between the coating stations 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 reaching a further magnetron sputtering device of the same device.
  • the amount of noble gas and / or reactive gas can be set more precisely 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 significantly to layer stresses. They can be influenced indirectly, for example by changing the magnetic field design or by using alternative sputtering gases.
  • the sputtering gas can contain or consist of a noble gas. Preferred noble gases are argon, neon, xeon and krypton. Mixtures of noble gases 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.
  • One of the variants of the device preferably contains a photometer.
  • a fast broadband measurement eg from 200-2000nm
  • the measurements can be carried out with a vertical incidence or with an inclined incidence.
  • the layer thickness can be determined and controlled with the theoretically expected spectrum.
  • a quartz oscillator can also be used, for example in cavity filters where only a slight change in the transmission signal is expected for certain layers.
  • the layer thickness can be measured across the running direction at several points.
  • An array spectrometer is also conceivable for this, with which both a spectral and spatial measurement of the transmission can take place transversely to the direction of travel. In this way, the layer thickness can be determined transversely to the running direction and the distribution can be regulated.
  • the distribution of the layer thickness on the substrate can also be determined with a single photometer by rotating the substrates by 90 ° by measuring in the direction of travel. This is then done by turning the turntable and measuring at several points.
  • a complete mapping of the layer thickness on the substrate can be carried out with a single spectrometer and a control of the layer thickness can also be built on. If very fast regulation is necessary, this can also be implemented with the help of a mapping spectrometer in a "push-broom" approach.
  • a 2D sensor is used here, which measures across the substrate in one sensor axis and across the substrate in the The substrate can be measured over its entire surface by continuously rotating the axis of rotation of the system.
  • the substrate holder has or consists of polyetheretherketone.
  • polyetheretherketone has the advantage that particle formation is reduced.
  • the device has a control system for regulating and / or stabilizing the reactive gas in the magnetron sputtering device.
  • the reactive gas pressure is used as the control variable; either the power of the magnetron sources or, alternatively, the power of the microwave plasma sources can serve as the manipulated variable.
  • the advantage of this regulation is that in the method according to the invention no dielectric layer is removed from the target, but rather the target is never covered with a dielectric layer. This can be implemented, for example, by operating metallic targets in what is known as the "transition mode".
  • the cylindrical source material (target) is permanently in a metallic, oxide-free state by suitable control of the generator, while there is enough oxygen in the process space for the oxidation of the growing layer.
  • the above-mentioned manipulated variables are usually implemented on the basis of the oxygen partial pressure or the voltage of the generator or the target. In this way, the deposition of stoichiometric layers can be achieved in the process at a high deposition rate, while the disruptive influence of particles is minimized, that is to say, a low level of particles is achieved.
  • a method for depositing uniform layers on rotationally moving substrates by means of magnetron sputtering in which a) at least one substrate is arranged on a turntable in a vacuum chamber with a sputtering compartment in order to apply a coating while the substrate is rotating enable b) with at least one magnetron sputter source with at least one electrode arranged in the sputtering compartment, at least one layer is deposited on the at least one substrate, the layers being formed from source material of the electrodes with sputtering gas.
  • a homogeneous or inhomogeneous plasma density is generated in the sputtering compartment by means of the at least one microwave plasma source, which causes a homogeneous or inhomogeneous rate of removal of the source material on the substrate.
  • the microwave heads are placed asymmetrically in the sputtering compartment. This can be, for example, at the end of a magnet ron. If the plasma is ignited, the plasma increases locally and the rate increases at the relevant end of the magnetron. The plasma always has a certain range due to the movement of the electrons on the racetrack. Overall, the layer thickness can thus be increased at one end of the magnetron.
  • the overall distribution can be changed by placing several microwave plasma sources.
  • a temporal modulation of the change in the plasma is also possible.
  • microwave plasma sources are used along a line along the longitudinal axis of the magnetron sources.
  • a distance of approx. 10-15 cm is favorable, so that with a cathode length of 60 cm, approx. 4 sources are installed.
  • the microwave plasma sources can also deviate to the right or left of the line in order to have further influences on the distribution.
  • they are preferably arranged outside the coating area. This can be between and below the magnetron sources.
  • An arrangement laterally along one or both of the magnetic longitudinal axes is also conceivable. A combination is also possible.
  • a noble 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, for process control, the thickness of the layer on the substrate is controlled by at least one of the measures a) to e): a) optical transmission monitoring; b) optical reflection monitoring; c) optical absorption monitoring; d) single wavelength ellipsometry or spectral ellipsometry; and / or e) quartz oscillator measurement.
  • Microwave plasmas are shielded by metallic layers. Therefore, coating the microwave plasma source - in particular with conductive material - should be avoided.
  • the microwave source can therefore advantageously be equipped with a coating protection.
  • an envelope is provided that is flooded with neutral gas so that the outflowing gas prevents particles from reaching the microwave plasma source.
  • the gas supply to the sputtering compartment can then be done from this gas source alone.
  • the device according to the invention is preferably used to carry out the method.
  • Fig. 1 shows a device according to the invention without a turntable in plan view.
  • Fig. 2 shows a device according to the invention with a turntable in plan view
  • FIG. 3 shows a device according to the invention in a sectional illustration.
  • FIG. 4 shows a device according to the invention in a sectional illustration
  • FIG. 5 shows the device according to the invention from FIG. 4 in the plane transverse thereto 6 shows a device according to the invention in a second variant in a sectional illustration
  • FIG. 7 shows the device according to the invention from FIG. 6 in the plane transverse thereto
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of a preferred device according to the invention without a turntable.
  • the device has three magnetron sputtering devices 2, 3, 4, one of which is designed in the single magnetron arrangement 2 and two in the double magnetron arrangement 3, 4.
  • the magnetron sputtering device 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 are located in a vacuum 1.
  • In the vicinity of the magnetron sputtering devices 2, 3, 4 there is a microwave plasma source 12 and a photometer 16 and / or an ellipsometric flange 17.
  • Figure 2 shows schematically in plan view a preferred embodiment of the turntable.
  • the turntable 10 is located in the device and has ten identical substrate holders 9 in this example.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a preferred embodiment of the device with rotary plate 10.
  • the cross section of a magnetron sputtering device is visible, which contains two cylinders made of swelling material 6, 7 (double magnetron arrangement).
  • the magnetron sputtering device is delimited from the rest of the device in a gas-tight manner on the sides of boundary walls 14, 15 and above by the turntable 10, contains sputtering gas 11, optionally reactive gas 8, and is under vacuum 1.
  • Two substrate holders 9 of the turntable 10 are in the Cross-section shown or visible.
  • Above the turntable 10 is a cover 13, which closes the device gas-tight with boundary walls which are located on the side of the turntable 10.
  • FIG. 4 shows schematically the device according to the invention.
  • 100 shows the variance vacuum chamber in which a sputtering compartment 101 is installed.
  • the sub strate 102 is located on the turntable 103, which rotates continuously around the center during the coating.
  • the coating is operated from bottom to top against gravity.
  • the Magnetro electrodes 6 are accordingly located below the substrate.
  • a coating mask 104 can be used to set the distribution of the coating in such a way that a homogeneous layer is deposited on the substrate.
  • the arrangement contains two microwave plasma sources 106, which are arranged between tween the two magnetron sources at the ends of the cathodes.
  • the magnetron sources also contain a shutter 107 which can be rotated between the substrate and the magnetron source so that the coating can be stopped.
  • a power feedthrough 108 and a generator 109 are connected to the microwave plasma source.
  • 111 is the pump flange and 110 is a shield against falling particles to protect the pump.
  • FIG. 5 shows the same arrangement in a view perpendicular thereto.
  • Figures 6 and 7 show an alternative arrangement according to the invention.
  • the distance between the magnetron source 105 and the substrate 102 has been increased.
  • Two microwave plasma sources 106 were placed at the outer end of the magnetrons.
  • the rate can be increased towards the outer edge, so that less coating of mask 104 has to be shielded.
  • the same layer properties are achieved by operating the process at a pressure of about 7c10 L -4 mbar.

Abstract

The invention relates to a device and a method for producing layers whose layer thickness distribution can be adjusted in coating systems with horizontally rotating substrate. A very homogeneous or a specific non-homogeneous distribution can be adjusted. The particle loading is also significantly reduced. The service life is significantly higher compared to other methods. Forming of parasitic coatings is reduced.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Schichten mit verbesserter Uniformität bei Beschichtungsanlagen mit horizontal rotierender Substratführung mit zusätzlichen Plasmaquellen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Device and method for producing layers with improved uniformity in coating systems with horizontally rotating substrate guide with additional plasma sources. The invention relates to a device and a method for producing
Schichten mit einstellbarer Uniformität bei Beschichtungsanlagen mit horizon tal rotierender Substratführung. Alternativ können bestimmte Schichtdicken gradienten eingestellt werden. Zudem wird die Partikelbelastung deutlich re duziert. Die Standzeit ist gegenüber anderen Verfahren deutlich erhöht. Para- sitäre Beschichtungen werden reduziert. Auch die Beschichtungsrate wird er höht. Layers with adjustable uniformity in coating systems with horizontally rotating substrate guides. Alternatively, certain layer thickness gradients can be set. In addition, the particle load is significantly reduced. The service life is significantly longer compared to other processes. Para- situs coatings are reduced. The coating rate is also increased.
Optische Schichten bestehen heute oftmals aus einer Abfolge von nieder- und hochbrechenden Schichten, bei denen also bestimmte Materialien übereinan der gestapelt werden. Die Schichtdicken können je nach Funktion und Wellen längenbereich zwischen wenigen nm und mehreren pm betragen. Materialien sind beispielsweise S1O2, Ta20s, Nb2Ü5, Hf02, ZrC>2, T1O2. Auch amorphe, wasserstoffhaltige Si-Materialien (a-Si:H) werden eingesetzt. Optical layers nowadays often consist of a sequence of low and high refractive index layers, in which certain materials are stacked on top of one another. The layer thicknesses can be between a few nm and several pm, depending on the function and wavelength range. Materials are, for example, S1O2, Ta20s, Nb2Ü5, Hf02, ZrC> 2, T1O2. Amorphous, hydrogen-containing Si materials (a-Si: H) are also used.
Durch die geeignete Stapelung der Schichtfolge übereinander wird eine ge wünschte Schichtfunktion erreicht. Dies können beispielsweise ein Bandpass filter oder ein Kantenfilter sein. Auch Beschichtungen zur Steuerung der Pha senlage des reflektierten odertransmittierten Lichtes sind möglich. A desired layer function is achieved by suitable stacking of the layer sequence on top of one another. This can be a bandpass filter or an edge filter, for example. Coatings to control the phase position of the reflected or transmitted light are also possible.
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 Beschichtungsbreite von einigen 10mm und bilden darin einen Zentralwellenlängenbereich von ca. 190 nm bis 1100 nm kontinuierlich ab. Mit einer Zentralwellenlänge von 190nm bei einem 30mm langen Sensor wird demnach nur etwa 1/6 der Schichtdicke benötigt wie bei llOOnm. Mit kleiner werdender Sensorfläche würde sich der Schicht dickengradient noch verstärken, so dass steilere Gradienten realisiert werden müssen. The spectral position of the edge or the bandpass is decisive for the function of the coating. There is therefore great interest in achieving uniform layers on the material to be coated. In other applications, layers are also required in which a certain layer profile is desired. This is the case for bandpass filters where the central wavelength depends on the position (gradient filter). Gradient filters of this kind are used, for example, on photosensitive sensors in image processing. These often have a coating width of a few 10mm and continuously map a central wavelength range from approx. 190 nm to 1100 nm. With a central wavelength of 190 nm for a 30 mm long sensor, only about 1/6 of the layer thickness is required as with 10000 nm. As the sensor area becomes smaller, the layer thickness gradient would increase further, so that steeper gradients would have to be implemented.
Auf 3D Komponenten wie Linsen wird oftmals auch eine bestimmte Schichtdi ckenverteilung gefordert. Dies kann einen lateralen Gradienten mit einer be stimmten Form erfordern. A certain layer thickness distribution is often required on 3D components such as lenses. This may require a lateral gradient with a certain shape.
In der Regel werden eine Vielzahl von Schichten übereinander gestapelt. Es entstehen dann Filterbeschichtungen mit einer Schichtzahl weniger als 4 und mehr als 100, oftmals mit Dicken von weniger als 1 miti und mehr als 10 miti, oder sogar mehreren 10 miti. As a rule, a large number of layers are stacked on top of one another. Filter coatings are then produced with a number of layers less than 4 and more than 100, often with a thickness of less than 1 miti and more than 10 miti, or even several tens of miti.
Eine weitere Anforderung ist es, auch möglichst wenig Defekte in die Schicht einzutragen. Diese können beispielsweise durch Abplatzungen parasitärer Be schichtungen von Kammerwänden oder von Anlagenkomponenten verursacht werden, die sich im Bereich der Beschichtung befinden. Auch können sich Par tikel längere Zeit im Plasma anreichern und dort ggf. durch den Beschich tungsstrom weiter wachsen. Another requirement is to introduce as few defects as possible into the layer. These can be caused, for example, by the flaking of parasitic coatings from chamber walls or from system components that are located in the area of the coating. Particles can also accumulate in the plasma for a longer period of time and possibly continue to grow there due to the coating flow.
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 parasi täre Beschichtung. Partikel können aber auch direkt auf den Sputterquellen erzeugt werden. These "parasitic" coatings form because the coating source has a relatively broad distribution of the dusted coating material into the room. A large part of the coating therefore goes onto the chamber walls instead of the substrates, 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 are thermal loads, particles can be detached from these coatings or the entire parasitic coating, but particles can also be generated directly on the sputtering sources.
Es wurde vielfach versucht, die Partikelbelastung zu reduzieren. Gleichzeitig wurde versucht, Produktionsprozesse zu entwickeln, die sehr uniforme Schichten erzeugen können. Alternativ sind auch Schichten mit einem defi nierten Gradienten in der Schichtdicke herzustellen. Many attempts have been made to reduce the particle load. At the same time, attempts were made to develop production processes that can produce very uniform layers. Alternatively, layers with a defined gradient in the layer thickness can also be produced.
Die Herstellung partikelarmer optischer Schichten kann mit einer Magnetron- Sputtervorrichtung erfolgen, wie sie beispielsweise aus US 9,803,276 B2 bekannt ist. In dieser Schrift wird die Herstellung partikelar mer Beschichtungen dargestellt, wobei die Sauberkeit der Beschichtung er reicht wird durch die Verwendung von zylindrischem Quellmaterial (Ro- tatable-Magnetrons), optional zusammen mit einer Reaktivgaskomponente, 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 An ordnung beispielsweise, bei der der Substratmittelpunkt 600mm vom Dreh zentrum 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 Beschichtungsfluss lokal einschränken. Die Maske liegt zwischen Quelle und Substrat; dabei in der Regel dicht am Substrat, um die Schichtver teilung möglichst genau einstellen zu können. Die Maske liegt damit direkt im Beschichtungsbereich. 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 Substratmittel punkt 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 Substrat abgeschieden, erhält die Blende bereits 100 pm. Besonders bei zylindrischen Sputterquellen ist der Materialvorrat sehr groß, so dass prinzipiell eine Standzeit von mehreren Monaten möglich wäre. Haben diese Targets beispielsweise eine Lebensdauer von 8000 Kilowattstun den, so wäre bei der Leistung von 5 kW eine Lebensdauer von 67 Tagen mög lich. Bei einer Beschichtungsrate von 0.3 nm/s könnte eine Schichtdicke von 480 pm damit auf dem Substrat abgeschieden werden, ohne dass das Target ausgetauscht werden muss. Nimmt man das zweite Material dazu, würde sich die Schichtdicke auf den Uniformitätsblenden auf über 5mm akkumulieren. Günstig ist es aber, eine bestimmte Dicke von ca. 1mm auf den Uniformitäts blenden nicht zu überschreiten. The production of low-particle optical layers can take place with a magnetron sputtering device, as is known, for example, from US Pat. No. 9,803,276 B2. In this document, the production of low-particle coatings is shown, the cleanliness of the coating is achieved through the use of 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 there is no provision for substrate subrotation (satellite movement), a layer thickness profile results on the substrate which inversely proportional to the radius to the center of rotation increases. In an arrangement, for example, in which the substrate center point 600mm away from the center of rotation and the substrate has a diameter of 200mm, 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; usually close to the substrate in order to be able to adjust the layer distribution as precisely as possible. The mask is thus directly in the coating area. Since, in contrast to the moving substrates, the mask is usually attached statically, it receives a large amount of material. In the geometry described above with a substrate center point of 600 mm from the center, a correction diaphragm receives a rate about 5-10 times as large as the substrates themselves. If 10 .mu.m of layer material is deposited on the substrate, the diaphragm already receives 100 .mu.m. Particularly with cylindrical sputter sources, the material supply is very large, so that in principle a service life of several months would be possible. For example, if these targets have a service life of 8000 kilowatt hours, a service life of 67 days would be possible with an output of 5 kW. At a coating rate of 0.3 nm / s, a layer thickness of 480 μm could thus be deposited on the substrate without the target having to be replaced. If you add the second material, the layer thickness on the uniformity diaphragms would accumulate to over 5mm. However, it is beneficial not to exceed a certain thickness of approx. 1 mm on the uniformity diaphragms.
Ist die Dicke auf der Blende zu groß, kann es zu Abplatzungen und Partikelbil dung kommen, so dass Anlagen in der Regel vorher gereinigt werden, wobei auch die Blenden gereinigt 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 B2 beschrieben. 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. If the thickness of the panel is too great, flaking and particle formation can occur, so systems are usually cleaned beforehand, with the panels also being cleaned or even replaced. This also limits the service life of the system after cleaning. This is particularly disadvantageous in current systems that work with cylindrical sputter sources, because the sputter sources themselves have a service life that is several times that of conventional linear magnetrons. The production time could be significantly lengthened without cleaning in the meantime if the parasitic coating on the uniformity diaphragms can be reduced. Another method for depositing high-quality optical coatings is described in US Pat. No. 8,956,511 B2. A turntable arrangement is provided there, in which the substrates rotate on a plate and a very thin partial layer of a few ohms is deposited for each passage. Oxygen is added at the location of the magnetron, so that a substoichiometric layer is deposited first. This layer is oxidized through with a subsequent plasma source. The layer thickness distribution is adjusted by means of so-called "correction masks", which remove a greater proportion of the coating in the inner area than in the outer area is highly variable towards the ends.
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. 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.
Aus US 8,574,409 ist 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. A method is known from US Pat. No. 8,574,409 in which a set of magnets rotates in an annular magnetron and the power is periodically modulated at a certain frequency in order to improve the uniformity of the layer distribution.
In US 5,609,772 A wird eine Vorrichtung für ein ringförmig geschlossenes Tar get beschrieben, bei der mit einem durch einen Erregerstrom zusätzlich er zeugten Magnetfeld die Magnetfeldlinien auf dem Target verschoben werden können. Damit kann die Target-Erosion in ihrem Profil verschoben und bei spielsweise die Verteilung der Rate beeinflusst werden. In US Pat. No. 5,609,772 A, a device for a ring-shaped closed target is described in which the magnetic field lines can be shifted on the target with a magnetic field additionally generated by an excitation current. This means that the profile of the target erosion can be shifted and, for example, the distribution of the rate can be influenced.
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. 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 centered on the rotating substrate centers. There, however, a planetary drive is provided so that two rotations are superimposed.
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 Trom mel. In einer Variante können Schichtverteilungen auf dem Substrat durch Veränderung des Abstandes einzelner Magnete von der Targetoberfläche ent lang der Targetachse beeinflusst werden. Hierbei werden einzelne Magnete zurückgesetzt. Diese Methode wird als „UniTune" bezeichnet und ermöglicht eine Verteilungseinstellung auf +/-!% ohne Shaper. Die Einstellung ist damit in sehr engen Grenzen möglich (wenige %). Various types of magnetron sources are used in sputtering systems Mission. A so-called drum geometry is described in US Pat. No. 4,851,095. Here, the sources are usually located as a linear source on the side walls of a chamber. The substrates are located inside on a rotating drum. In a variant, layer distributions on the substrate can be influenced along the target axis by changing the distance between individual magnets and the target surface. Individual magnets are reset here. This method is called "UniTune" and enables the distribution to be set to +/-!% Without a shaper. The setting is therefore possible within very narrow limits (a few%).
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. This method would not be suitable for the proposed arrangement with a turntable because it would result in a very strong weakening of the magnetic field, so that the impedance and thus the voltage of the process would increase sharply. In addition, a much larger rate change of about 30% is required for the present process.
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. A similar method is proposed in US 2003/0042130. There, "electron traps" are introduced on the target with the aid of an additional magnetic field, with which the plasma density and thus the sputtering yield along the target can be influenced.
Die Veränderung der Geometrie von Magneten zur Steuerung der Schichtver teilung wird auch bei zylindrichen Magnetronquellen in US 2013/0032475 be schrieben. Es kann entweder der Abstand zwischen Target und Substrat ver ändert werden, oder auch der Drehwinkel des ganzen Magnetsatzes („Swing- Kathoden"). The change in the geometry of magnets to control the layer distribution is also described in US 2013/0032475 for cylindrical magnetron sources. Either the distance between the target and the substrate can be changed, or the angle of rotation of the entire set of magnets ("swing cathodes").
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. A special magnet system for cylindrical magnetrons is described in US Pat. No. 9,349,576. The magnets have a special shape and the magnetron can be used as a retrofit for planar magnetrons.
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. In R.D. Arnell et al., “Recent advances in magnetron sputtering”, Surf. Coat. Technol. 112 (1999), p. 170 describes the method of “closed-field unbalanced magnetron sputtering”. This reports on the magnet configuration of double magnetron arrangements.
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 ei nige Elektronen nicht mehr am Target festgehalten, sondern folgen den Mag netfeldlinien in Richtung zum Substrat. Das Plasma dehnt sich weiter zum Sub strat aus, und es kann beispielsweise eine bessere Verdichtung der Schicht er folgen. 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 Mag netrons eine entgegengesetzte Polung aufweisen (dual-co-planar closed field arrangement). Als Vorteil dieser Anordnung wird eine bessere Plasmadichte gesehen und die Möglichkeit, bessere Materialien herzustellen. Dort wird vorgeschlagen, 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. Magnetron arrangements can be unbalanced as well as balanced. One speaks of an unbalanced arrangement if, for example, the outer magnet net ring has a higher field strength than the inner ring. As a result, some electrons are no longer held on the target, but instead follow the magnetic field lines in the direction of the substrate. The plasma expands further to the substrate, and it can, for example, a better compression of the layer he follow. However, it can also be disadvantageous that more particles are introduced into the layer. In the case of a balanced arrangement, on the other hand, the plasma is held more on the target. Arnell et al. also propose a closed-field arrangement with double magnetrons, in which magnetrons lying next to one another have opposite polarity (dual-co-planar closed field arrangement). A better plasma density and the possibility of producing better materials are seen as advantages of this arrangement. It is proposed there to work in a "closed field" arrangement. Several magnetron sources are required on the chamber. The polarity of the magnets is not the same for all sources, but is opposite to the adjacent cathode. While a cathode has a polarity NSN , the adjacent cathode has a polarity SNS. 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 purpose of the closed field arrangement is to produce denser layers with better properties.
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. The magnetrons can be linear sources, round sources or else cylindrical sources. These can be operated with direct current (DC) or alternating current (AC) in the medium frequency range (10-20 kHz). Radio frequencies (RF, mostly 13.56 MHz) are also used in 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.
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 Mag netron 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 Beein flussung des Magnetfelds bei Magnetrons eingesetzt (US 5,415,754). Die Shunts sind ferromagnetische Platten, 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 Pro zessen eine magnetische Barriere 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 Span nung zu vermehrter Partikelbildung führen kann. 3D Effekte treten oft bei Magnetronentladungen auf. Bekannt sind beispielsweise der „Cross-Corner" Effekt (Siemers, M. et al., Proc. 51st SVC Tech. Conf., 2008, 43-48) mit diago- nallsymmetrischen Inhomogenitäten. Bei zylindrischen Magnetrons gibt es ebenfalls einen derartigen Effekt. In US 2011/0127157 wird ein asymmetri sches Magnetsystem beschrieben, welches für zylindrische Einzel- oder Dop pelmagnetrons benutzt werden kann. Durch das asymmetrische Design wird das Plasma mehr zwischen die Kathoden gezogen, wobei die Elektronen bes ser zu jeweiligen Anode gelangen können und eine geringere Impedanz ent steht. US2016 / 0254127 A1 describes an approach in which the layer thickness distribution is influenced by two magnetrons. The approach is based on a twisting of the magnets, which causes a (decoupling) of the magnetic fields. In the case of a turntable arrangement, tilting of the distribution can thus be made possible. However, this approach is only suitable for small changes in the distribution and still relies on the use of masks. US Pat. No. 8,574,409 describes a system in which a power modulation as a function of the rotation of a magnet set is used in an annular magnet. From US2005 / 0061666 A1 magnets are known which are moved during operation by planar magnets ("sweeping"), so that a higher target utilization results. Often so-called. Shunts are used to influence the magnetic field in magnetrons (US 5,415,754). The shunts are ferromagnetic plates that are placed below the target between the rows of magnets. This means that the field lines between the racetracks run flatter on the target. The disadvantage, however, is that a magnetic barrier for the electrons is built up between the targets in bipolar processes Usually the impedance and thus also the discharge voltage of the generator. This is unfavorable because a high voltage can lead to increased particle formation. 3D effects often occur with magnetron discharges. The "cross-corner" effect is known, for example (Siemers, M. et al., Proc. 51 st SVC Tech. Conf., 2008, 43-48) with diagonally symmetrical inhomogeneities. There is also such an effect with cylindrical magnetrons. In US 2011/0127157 an asymmetri cal magnet system is described which can be used for cylindrical single or double magnetrons. Due to the asymmetrical design, the plasma is drawn more between the cathodes, whereby the electrons can reach the respective anode better and a lower impedance is created.
Auch der Einsatz von Plasmaquellen im Sputterbereich ist bekannt. So ist es oftmals gewünscht, den Abstand zwischen Quelle und Substrat zu erhöhen, um eine geringe Defektdichte in der Schicht zu erreichen. Eine solche Vorrich tung ist in US 5,851,365 beschrieben. Damit die Schichten eine gute Qualität und hohe Dichte und geringe Rauigkeit erreichen, müssen genügend energeti sche Teilchen im Plasma vorhanden sein. Dies wird erreicht durch eine ausrei chend hohe freie Weglänge der gesputterten Teilchen. Wird der Abstand er höht (in US 5,851,365 auf > 30cm entsprechend einem Faktor von ca. 3-5), muss der Sputterprozess dementsprechend bei einem geringerem Druck be trieben werden. Das wird in US 5,851,365 durch sehr starke Pumpen unter halb der Magnetronquellen erreicht. Eine auf das Substrat gerichtete lonenka- none kann die Schicht zusätzlich verdichten. In dieser Anordnung wurde um das Target herum eine Schirmung sowie ein Gaseinlass vorgesehen. Das hat den Zweck, den Druck am Magnetron lokal zu erhöhen, so dass das Target stabil laufen kann. Ohne die Abschirmung wäre der Druck am Magnetron zu gering um das Plasma zu zünden. The use of plasma sources in the sputtering area is also known. It is often desired to increase the distance between source and substrate in order to achieve a low defect density in the layer. Such a device is described in US Pat. No. 5,851,365. In order for the layers to be of good quality, high density and low roughness, sufficient energetic particles must be present in the plasma. This is achieved by a sufficiently high free path of the sputtered particles. If the distance is increased (in US Pat. No. 5,851,365 to> 30 cm, corresponding to a factor of approx. 3-5), the sputtering process must accordingly be operated at a lower pressure. This is achieved in US 5,851,365 by very powerful pumps under half of the magnetron sources. An ion cannon directed at the substrate can additionally densify the layer. In this arrangement, a shield and a gas inlet were provided around the target. That has the purpose of locally increasing the pressure on the magnetron so that the target can run stably. Without the shield, the pressure on the magnetron would be too low to ignite the plasma.
In M. Misina, J. Musil, Surf. Coat. Technol. 74 (1995, p. 459) wird beschrieben, dass eine ECR-Mikrowelle (Elektron-Zyklotronresonanz) in einem Magnetron- compartment eingesetzt werden kann, um eine Entladung bei niedrigem Druck zu betreiben. In M. Misina, J. Musil, Surf. Coat. Technol. 74 (1995, p. 459) describes that an ECR microwave (electron cyclotron resonance) can be used in a magnetron compartment in order to operate a discharge at low pressure.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrich tung bereitzustellen, die eine hohe und stabilere Uniformität der Schichten si cherstellt und dabei gleichzeitig parasitäre Abscheidungen vermeidet, um die Produktionszeit der Vorrichtung zu erhöhen. Ebenso ist es aber auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schichten mit einer gezielten Inhomogenität ge nauer und auch mit steilerem Schichtdickengradient einzustellen. Based on this, it was the object of the present invention to provide a device which ensures a high and more stable uniformity of the layers and at the same time avoids parasitic deposits in order to increase the production time of the device. However, it is also an object of the present invention to set layers with a targeted inhomogeneity more precisely and also with a steeper layer thickness gradient.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die weite ren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. This object is achieved by the device with the features of claim 1 and the method with the features of claim 15. The further dependent claims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abscheidung uniformer Schichten auf rotatorisch bewegten Substraten mittels Magnetron-Sputtern bereitge stellt, die folgende Komponenten enthält: a) eine Vakuumkammer mit einem Sputterkompartiment, b) mindestens einen Einlass für ein Sputtergas, c) einen Drehteller mit mindestens einer Substrathalterung und d) mindestens eine im Sputterkompartment angeordnete Magnetron- Sputterquelle mit mindestens einer Elektrode, wobei im Sputter kompartment mindestens eine weitere Mikrowellen-Plasmaquelle angeordnet ist. According to the invention, a device for the deposition of uniform layers on rotationally moving substrates by means of magnetron sputtering is provided, which contains the following components: a) a vacuum chamber with a sputtering compartment, b) at least one inlet for a sputtering gas, c) a turntable with at least one substrate holder and d) at least one magnetron sputter source arranged in the sputtering compartment with at least one electrode, at least one further microwave plasma source being arranged in the sputtering compartment.
Der Kern der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass eine inhomogene, d.h. lokal unterschiedliche Plasmadichte erzeugt wird, die es ermöglicht, dass die Abtragerate gezielt inhomogen eingestellt werden kann. Die Inhomogeni tät kann dabei auch so eingestellt werden, dass auf dem Substrat in Laufrich tung eine bestimmte Verteilung erzeugt wird. Zugleich wird die Plasmadichte an der Magnetron-Sputterquelle erhöht, so dass der Sputterprozess auch bei geringerem Druck betrieben werden kann. The essence of the present invention is based on the fact that an inhomogeneous, ie locally different, plasma density is generated, which makes it possible that the removal rate can be set inhomogeneously in a targeted manner. The inhomogeneity can also be set in such a way that a certain distribution is generated on the substrate in the direction of travel. At the same time, the plasma density at the magnetron sputtering source is increased so that the sputtering process can also be operated at lower pressure.
Die lokal unterschiedliche Plasmadichte wird bewirkt durch den Einsatz von mindestens einer Mikrowellen-Plasmaquelle, die das Plasma in einem räum lich begrenzten Bereich erzeugt. Damit ist gemeint, dass das Plasma eine Aus dehnung hat, die deutlich kleiner ist als die Länge oder der Durchmesser der Magnetron-Kathode. Vorzugsweise ist die mindestens eine Mikrowellen-Plas maquelle eine ECR-Mikrowellenplasmaquelle oder eine Plasmaquelle, die über die Möglichkeit einer magnetischen Einschnürung verfügt. Eine oder mehrere Mikrowellen-Plasmaquellen sind im Sputterbereich angeordnet und können in der Leistung individuell eingestellt und geregelt werden. Die Vertei lung der Beschichtungsrate wird dabei in Längsrichtung, d.h. entlang der Tar getachse der Magnetrons verändert. Denkbar ist auch eine Beeinflussung der Verteilung in Laufrichtung der Substrate. Hierdurch wird es ermöglicht, Schichten hoher und stabiler Uniformität auf dem Substrat während des Be schichtungsprozesses zu erzeugen. Eine Regelung der Verteilung ist ebenfalls möglich, indem die Messung der Schichtdicken auf dem Substrat hinzugezo gen wird. The locally different plasma density is brought about by the use of at least one microwave plasma source, which generates the plasma in a spatially limited area. This means that the plasma has an expansion that is significantly smaller than the length or the diameter of the magnetron cathode. The at least one microwave plasma source is preferably an ECR microwave plasma source or a plasma source which has the option of magnetic constriction. One or more microwave plasma sources are arranged in the sputtering area and their power can be set and regulated individually. The distribution of the coating rate is changed in the longitudinal direction, i.e. along the target axis of the magnetrons. Influencing the distribution in the running direction of the substrates is also conceivable. This makes it possible to produce layers of high and stable uniformity on the substrate during the coating process. The distribution can also be regulated by measuring the layer thicknesses on the substrate.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Konfiguration der Mikrowellen- Plasmaquellen für lineare 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 Mikrowellen-Plasma- quelle(n) in ihrer Leistung individuell einstellbar und auch asymmetrisch ange ordnet werden können. Zugleich kann damit auch der Sputterdruck reduziert werden, so dass der Abstand zwischen Substrat und den Quellen erhöht wer den kann. The present invention relates to a new configuration of microwave plasma sources for linear magnetron electrodes arranged in relation to one another, with which a coating with very high and stable uniformity can be achieved with substrates to be coated rotie rend (turntable arrangement). The asymmetry is achieved in that the microwave plasma source (s) can be individually adjusted in terms of their power and can also be arranged asymmetrically. At the same time, the sputtering pressure can also be reduced, so that the distance between the substrate and the sources can be increased.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zei gen den Vorteil, dass die Verteilung der Schichtdicken sehr schnell und wäh rend des Beschichtungsprozesses eingestellt werden kann. Schließlich soll die Entladung auch bei niedrigem Druck unter 3x10-3 mbar betrieben werden können, so dass bei gleichem Energieeintrag in das Substrat auch eine Be schichtung mit größerem Abstand möglich ist. The device according to the invention and the method according to the invention show the advantage that the distribution of the layer thicknesses can be adjusted very quickly and during the coating process. After all, the Discharge can also be operated at low pressure below 3x10-3 mbar, so that with the same energy input into the substrate, a coating with a greater distance is also possible.
Die Art der erfindungsgemäß einsetzbaren Mikrowellen-Plasmaquellen sind grundsätzlich nicht limitiert. Halbleiter-basierte Quellen können sehr kompakt aufgebaut werden, so dass ein relativ räumlich eng begrenztes Plasma erzeugt wird. Die eine oder mehrere Plasma-Quellen können unterhalb der Magnet rons oder auch seitlich an den Kammerwänden angeordnet werden. Der Vor teil dieser Anordnung besteht darin, dass die Quellen schnell in der Leistung verändert oder auch ganz ausgeschaltet werden können. Das wäre bei einer Anordnung, die alleine auf einer Steuerung der Magnetfeldstärke basiert, nicht möglich. The types of microwave plasma sources that can be used according to the invention are in principle not limited. Semiconductor-based sources can be built very compactly, so that a relatively spatially limited plasma is generated. The one or more plasma sources can be arranged below the magnet rons or laterally on the chamber walls. The advantage of this arrangement is that the power of the sources can be changed quickly or switched off completely. This would not be possible with an arrangement based solely on controlling the magnetic field strength.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren kann auch die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat verändert werden. In contrast to the methods known from the prior art, the layer thickness distribution on the substrate can also be changed.
In DE 102013 207771 Al wird eine lineare Kippung der Verteilung vorge schlagen, womit eine Veränderung der Schichtdickenverteilung möglich ist. Demgegenüber ist das hier vorgeschlagene Verfahren flexibler und auch schneller. In DE 102013 207771 A1, a linear tilting of the distribution is proposed, with which a change in the layer thickness distribution is possible. In contrast, the method proposed here is more flexible and faster.
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 102013 221 029 Al vorgeschlagen wird, bei dem Sput- tertargets mit keramischen Anteilen vorgeschlagen werden, im Sputterbereich aber ansonsten ohne Sauerstoff gearbeitet wird. Es ist bevorzugt, dass die inhomogene Abtragerate vom Drehteller-Mittel- punkt zum Drehteller-Rand zunimmt, bevorzugt linear zunimmt, besonders bevorzugt proportional zum Abstand vom Drehteller-Mittelpunkt ist. Hier durch resultiert auf dem Substrat eine weitgehend homogene Beschichtung ohne die Verwendung zusätzlicher Korrekturmasken. 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 a high impedance, such as silicon, or materials with poor conductivity. But also with other materials such as tantalum, niobium, either of metallic targets or of targets that contain metallic components, a low discharge voltage is favorable because this reduces the tendency to arc discharges. These generally lead to particles. This is also particularly advantageous in processes such as the Metamode process, where work is carried out without reactive gas in the area of the sputtering sources. Reactive gas often reduces the discharge voltage. This is also favorable for a process as proposed, for example, in DE 102013 221 029 A1, in which sputtering targets with ceramic components are proposed, but otherwise work is carried out without oxygen in the sputtering area. It is preferred that the inhomogeneous removal rate increases from the turntable center point to the turntable edge, preferably increases linearly, particularly preferably is proportional to the distance from the turntable center point. This results in a largely homogeneous coating on the substrate without the use of additional correction masks.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung über die im Magnetron-Kompartiment angeordnete Mikrowellen-Plasmaquelle mindestens eine zusätzliche Plasma quelle auf, die sich räumlich separat an einer eigenen Station befindet. Diese zusätzliche Plasmaquelle wird dann vorzugsweise zur Nachoxidation der wachsenden Schicht eingesetzt. Auch eine Vorbehandlung der Substratober fläche und/oder Modifizierung der Struktur und/oder der Stöchiometrie ist möglich. Die zusätzliche Plasmaquelle sollte räumlich separiert werden von dem Magnetron-Kompartiment, um Wechselwirkungen zu vermeiden. The device preferably has at least one additional plasma source via the microwave plasma source arranged in the magnetron compartment, which is spatially separate at its own station. This additional plasma source is then preferably used for post-oxidation of the growing layer. A pretreatment of the substrate surface and / or modification of the structure and / or the stoichiometry is also possible. The additional plasma source should be spatially separated from the magnetron compartment in order to avoid interactions.
Der Drehteller der Vorrichtung kann in dem Verfahren mit einer Geschwindig keit von 1-500 U-min-1, bevorzugt 80-300 U-min-1, rotieren. Für einen hohen Durchsatz und eine hohe Präzision kann eine schnelle Rotation des Drehtellers im Bereich von 100-250 U-min-1 vorteilhaft sein. In the process, the turntable of the device can rotate at a speed of 1-500 U-min-1, preferably 80-300 U-min-1. For a high throughput and high precision, a fast rotation of the turntable in the range of 100-250 rpm can be advantageous.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Magnetron-Sputterquelle eine Doppel- Magnetronquelle mit Elektroden aus einem zylindrischen oder planaren Quell material sowie einer Halterung für dieses Material und einem dazugehörigen Target. Die mindestens zwei Elektroden können dabei mittels bipolaren Pul- sens elektrisch betrieben werden. Hierbei können Sinus- oder auch Rechteck pulse 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 zwi schen 10 kHz und 100 kHz, besonders bevorzugt 20-60 kHz verwendet. The at least one magnetron sputter source is preferably a double magnetron source with electrodes made of a cylindrical or planar source material and a holder for this material and an associated target. The at least two electrodes can be operated electrically by means of bipolar pulses. Here, sine or square pulses can be used, whereby the frequency can also be changed. The sputtering frequency can be changed in a range from a few kHz to several 100 kHz. Frequencies between 10 kHz and 100 kHz, particularly preferably 20-60 kHz, are used.
Die Magnetron-Sputterquellen können in einer sputter-down oder auch in ei ner sputter-up Anordnung eingesetzt werden. The magnetron sputter sources can be used in a sputter-down or also in a sputter-up arrangement.
Vorzugsweise hat die mindestens eine Elektrode ein Target, das mindestens eine der folgenden Komponenten enthält oder aus diesen besteht: 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. The at least one electrode preferably has a target which contains or consists of at least one of the following components: a) ceramic material or material mixtures; b) thermally sprayed material or material mixtures; c) sintered material or material mixtures d) crystalline material; e) metallic material or material mixtures; and / or f) an oxide-containing material or g) mixtures thereof.
Bevorzugt besteht die Elektrode aus einem Target enthaltend Metall/ Halblei ter oder bestehend aus keramischem Material. The electrode preferably consists of a target containing metal / semiconductors or consisting of ceramic 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. In the case of high-quality optical coatings, there are often compressive stresses. These are of great importance because they can lead to bending of the optics or to the delamination of the layer or even to the breakage of the substrate. According to the invention, the discharge voltage of the plasma can be reduced, which can lead to a reduction in the layer voltage.
Die mindestens eine Elektrode kann ein Target enthalten. Dieses kann aus ei nem Metall bzw. Silizium bestehen oder auch ein Oxid-haltiges Material ent halten 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 Stabili tät verglichen mit einem Target aus Metall und Sauerstoff als Reaktivgas ergibt. Denn normalerweise führt die reaktive Beschichtung von einem metal lischen (bzw. Silizium-) Target unter Verwendung von Reaktivgas zu einer Ra teninstabilität, wenn nicht der Sauerstoffpartialdruck genau konstant gehal ten wird, da die Rate eines metallischen Targets deutlich unterschiedlich sein kann verglichen mit der Rate des entsprechenden Oxids. Hat man das Reaktiv gas (Sauerstoff, Stickstoff) im Target enthalten, ist die Rate unabhängig von der Bedeckung mit einer Oxidschicht. The at least one 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 that they provide a source of oxygen. Sometimes extra oxygen is required in the sputtering area, for example because the oxygen in the plasma source is insufficient for oxidation or because higher coating rates are to be achieved. In this case, it is beneficial to take the oxygen directly from the target, i.e. the magnetron electrode, because this results in greater stability compared to a target made of metal and oxygen as the reactive gas. Because normally the reactive coating of a metallic (or silicon) target using reactive gas leads to a rate instability if the oxygen partial pressure is not kept exactly constant, since the rate of a metallic target can be significantly different compared to the rate of the corresponding oxide. If the target contains the reactive gas (oxygen, nitrogen), the rate is independent of whether it is covered with an oxide layer.
Bevorzugte Oxid-haltige Materialien sind TiOx, TaOx, NbOx, ZrOx, ZrOx:Y, CeOx, ScOx, HfOx, AlOx, 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. Preferred oxide-containing materials are TiOx, TaOx, NbOx, ZrOx, ZrOx: Y, CeOx, ScOx, HfOx, AlOx, SiOx, ZnOx, InSnOx and / or SnOx, with x being particularly preferably selected so that the target just has conductivity, but at the same time x is close to stoichiometry.
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. Er findungsgemäß kann auch dort die Schichtspannung reduziert werden. 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 severely are often used there. According to the invention, the layer tension can also be reduced there.
Der Abstand des mindestens einen Substrats zu der mindestens einen Mag netron-Elektrode beträgt vorzugsweise 5 bis 40 cm, bevorzugt 5 bis 30 cm, be sonderes bevorzugt 10 bis 20 cm. Ein geringer Abstand ist günstig, weil er es ermöglicht, Schichten mit hoher Dichte herzustellen. Allerdings ist ein sehr ge ringer Abstand ungünstig, weil es die vermehrte Bildung von Partikeln ermög lichen kann. Diese können elektrisch im Plasma gefangen gehalten werden und das durchlaufende Substrat kann somit als Staubfänger fungieren. The distance between the at least one substrate and the at least one magnetron electrode is preferably 5 to 40 cm, more preferably 5 to 30 cm, particularly preferably 10 to 20 cm. A small spacing is beneficial because it enables layers to be made with high density. However, a very short distance is unfavorable because it can enable the increased formation of particles. These can be kept electrically trapped in the plasma and the substrate running through can thus function as a dust collector.
Je nach Unterstützung der Mikrowellen-Plasmaquelle und daraus einstellba rem Prozessdruck kann der Abstand aber auch flexibel auf die jeweilige An wendung ausgelegt werden. So sollte bei einem Druck um 3c10L-3 mbar der Abstand etwa 6-10 cm bestragen, während bei einem Druck von 1c10L-3 mbar der Abstand auch etwa 18-30 cm betragen kann, um gleiche Schichtei genschaften zu realisieren. Depending on the support of the microwave plasma source and the process pressure that can be set from it, the distance can also be flexibly designed for the respective application. At a pressure of 3c10 L -3 mbar, the distance should be about 6-10 cm, while at a pressure of 1c10 L -3 mbar the distance can also be about 18-30 cm in order to achieve the same layer properties.
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 1c10L-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 10L-3 mbar (3c10L-3 mbar bis 6c10L-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 Mikrowellen-Plasmaquelle kann über den Druck die Rauhigkeit eingestellt werden. According to the invention, the device also has the option of significantly increasing the stand between the electrodes and the magnetrons without any loss in the layer properties. The intended applications require very dense, smooth and absorption-free layers, for which, as a rule, high particle energies are necessary. In addition, 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 lowering the process pressure in the sputtering chamber to a value below 1c10 L -3 mbar. This is possible, please include in the method according to the invention, because the plasma density in the area of the electrodes is significantly higher. Typi cally, magnetrons are at a pressure of a few 10 L -3 mbar (3c10 L -3 mbar to 6c10 L -3 mbar). A pressure variation has the effect of a surface roughness in a high-quality optical coating. This can be measured with an AFM (atomic force microscope). The roughness of the microwave plasma source can also be adjusted via the pressure.
So hat beispielsweise eine Si02 Schicht von 2 pm Schichtdicke 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 Substrat auf weniger als 0,lnm, wenn der Abstand zwischen Quelle und Sub- trat ca. 7 cm groß ist. Allerdings besteht bei den Verfahren nach dem Stand der Technik das Problem, dass die Targetspannung mit sinkendem Druck an steigt und damit die Neigung zum Arcing zunimmt. For example, an SiO 2 layer with a thickness of 2 μm has a roughness that is 0.9 nm higher than that of the substrate if it is produced at a pressure of 6 × 10 −6 mbar on the magnetrons. If the pressure is reduced to less than 3 × 10 -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 approximately 7 cm. However, there is the problem with the methods according to the prior art that the target voltage increases with decreasing pressure and thus the tendency to arcing increases.
Auch bei einer Tantalpentoxidschicht lässt sich ähnliches beobachten. Hier sinkt die zusätzliche Rauhigkeit einer 2 pm dicken Ta205 Schicht auf 0,1 nm gegenüber 0,2nm oder mehr, wenn der Druck reduziert wird. Something similar can also be observed with a tantalum pentoxide layer. Here, the additional roughness of a 2 μm thick Ta205 layer drops to 0.1 nm compared to 0.2 nm or more when the pressure is reduced.
Bei einem Druck von 1c10L-3 mbar, wie es erfindungsgemäß möglich ist, kann der Abstand verdreifacht werden, ohne dass eine zusätzliche Rauhigkeit der Schicht gegenüber dem Substrat auftritt. At a pressure of 1c10 L -3 mbar, as is possible according to the invention, the distance can be tripled without any additional roughness of the layer in relation to the substrate.
Durch den geringeren Prozessdruck von 1c10L-3 mbar oder geringer kann der Abstand deutlich auf 15cm, oder 20cm oder mehr erhöht werden. Alternativ wird bei einem kleineren Abstand und einem Druck von 3c10L-3 mbar die Tar getspannung und damit die Arcingneigung reduziert. Due to the lower process pressure of 1c10 L -3 mbar or less, the distance can be increased significantly to 15cm, or 20cm or more. Alternatively, with a smaller distance and a pressure of 3c10 L -3 mbar, the target voltage and thus the tendency to arcing is reduced.
Der Vorteil der Erfindung ist es, dass auch bei einem relativ geringen 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 kommt. The advantage of the invention is that a high degree of freedom from particles can be achieved even with a relatively small distance, because the plasma can be drawn very close to the target. By lowering the pressure, the distance can even be increased further without any loss in the density of the layers.
Eine Einstellung kann über die Leistung der mindestens einen Mikrowellen- Plasmaquelle erfolgen. Da die Abnahme der Sputterrate proportional zum Kehrwert des Radiusses nach außen abnimmt, lässt sich bei einem gegebenen Gradient der Sputterrate über das Doppelmagnetron über eine geeignete Ge ometrie der Gradient auf dem Substrat einstellen. Wird der Radius für die Substratbewegung vergrößert, so ist die relative Abnahme der Rate nach au ßen hin kleiner und umgekehrt. A setting can be made via the power of the at least one microwave plasma source. Since the decrease in the sputtering rate is proportional to the In the case of a given gradient of the sputtering rate over the double magnetron, the gradient on the substrate can be set using a suitable geometry. If the radius for the substrate movement is increased, the relative decrease in the rate towards the outside is smaller and vice versa.
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 Magnetron-Sputtereinrichtung beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5mm. Dieser Abstand hat sich als besonders günstig erwiesen, um die Magnetron- Sputtereinrichtung gasdicht zu gestalten, d.h. eine effektive Gasraumtrennung innerhalb der Vorrichtung sicherzustellen. The advantage of this distance is that small components can be coated homogeneously with high density and high precision. If the distance from the magnetron electrode to the substrate is greater, the precision of the coating process decreases. The distance between the turntable and the walls of the magnetron sputtering device is preferably 0.1 to 5 mm. This distance has proven to be particularly advantageous in order to make the magnetron sputtering device gas-tight, i.e. to ensure effective gas space separation within the device.
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 Doppelmagnet ron-Anordnungen mit bipolarer Anregung bessere Langzeitstabilitäten auf grund der "nichtverschwindenden Anode" und höhere Plasmadichten in Kom bination mit dichteren (aber auch stärker verspannten) Schichten gewährleis tet werden. The double magnetron arrangement according to the invention has the advantage that more source material can be deposited per time that the substrate spends in the magnetron sputtering device compared with a single magnetron arrangement. The result is a much higher efficiency of the sputtering process. Furthermore, better long-term stabilities due to the "non-disappearing anode" and higher plasma densities in combination with denser (but also more strongly stressed) layers can be guaranteed through the use of double magnet arrangements with bipolar excitation.
Erfindungsgemäß können Polymersubstrate günstiger beschichtet werden, weil die Temperatur der Entladung bedingt durch die geringere Entladespan nung oder/und den größeren Abstand reduziert werden kann. According to the invention, polymer substrates can be coated more cheaply because the temperature of the discharge can be reduced as a result of the lower discharge voltage and / or the greater distance.
Die Polymerbeschichtung kann erfindungsgemäß ebenfalls günstiger gestaltet werden, da mit sinkender Entladespannung auch der Temperatureintrag in die Schicht reduziert wird. According to the invention, the polymer coating can also be designed more favorably, since as the discharge voltage decreases, the temperature input into the layer is also reduced.
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-Beschich- tungen, d.h. bei der Beschichtung eines Substrates mit mehreren verschiede nen Schichten. In diesem Fall können bei zwei Magnetron-Sputtereinrichtun gen 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 unterschiedliches Ma terial aufweisen. Darüber hinaus lassen sich auch Materialmischungen aus den jeweiligen Quellmaterialien hersteilen, d.h. gemischte Schichten können abgeschieden werden. Besonders im Bereich der sehr komplexen optischen Multilagenfilter mit mehr als 100 Einzelschichten ist der Einsatz von zwei Mag netron-Sputtereinrichtungen zur Optimierung der Schichteigenschaften sehr vorteilhaft. Je nach Anforderungen (z.B. spezielles Design) können sich auch drei oder mehrere Magnetron-Sputtereinrichtungen als vorteilhaft erweisen. Consequently, the device can advantageously have a device for generating medium-frequency discharges. In a further preferred embodiment, the device preferably contains two, optionally also three, magnetron sputtering devices. The advantage of such designs arises above all in the case of multilayer coatings, ie when a substrate is coated with several different layers. In this case, with two magnetron sputtering devices, stacks of two types of layers can be generated which have different material (source material). Consequently, in the case of three magnetron sputtering devices, there is the possibility of sputtering stacks of three types of layers onto the substrate, each of which has a different material. In addition, material mixtures can also be produced from the respective source materials, ie mixed layers can be deposited. The use of two magnetron sputtering devices for optimizing the layer properties is particularly advantageous in the area of very complex optical multilayer filters with more than 100 individual layers. Depending on the requirements (eg special design), three or more magnetron sputtering devices can also prove to be advantageous.
Der Generator für die Mikrowellen-Plasmaquelle lässt sich idealerweise schnell in der Leistung modulieren bzw. schalten. Damit kann der Schichtdi ckengradient schnell verändert werden. Für den Generator des Magnetrons kann als Pulsform Rechteck- oder Sinus- Pulse verwendet werden, besonders bevorzugt mit einer Frequenz von 40 kHz. Die Beeinflussung der Schichtdi ckenverteilung hat zur Folge, dass die Korrekturblende (Shaper-Blende) nicht mehr erforderlich ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Korrek turblende wesentlich weniger Beschichtungsmaterial erhält. Bei einer Stan dard-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 Schichtdickenkor rektur 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 län ger eingesetzt werden. Zugleich kann die Verteilung 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. The generator for the microwave plasma source can ideally be quickly modulated or switched in terms of output. This means that the layer thickness gradient can be changed quickly. For the generator of the magnetron, square or sine pulses can be used as the pulse shape, particularly preferably with a frequency of 40 kHz. Influencing the layer thickness distribution has the consequence that the correction diaphragm (shaper diaphragm) is no longer required. Alternatively, there is also the possibility that the correction diaphragm receives significantly less coating material. In a standard version, with a distance of the substrate center point of 60 cm from the center of the turntable and a substrate diameter of 200 mm, the layer thickness gradient is about 30%. On the inner edge of the substrate, the screen must hold off 30% more layer than on the outside. The layer thickness correction is then more than 30%. At the same time, the aperture receives approximately eight times the rate that arrives on the substrate. The advantage of the invention is that the diaphragm only needs to correct a few% because an almost homogeneous coating is achieved on the substrate. As a result, the panel has a much less layer than in the standard configuration and can be used for much longer. At the same time, the distribution can also be set much more precisely, since only a few% of the layer distribution are corrected Need to become. Since the diaphragm also receives a much less layer, the drift of the distribution in the course of the coating is also smaller.
Damit bietet sich die Option, auch die Verteilung wesentlich genauer einzu stellen. Während in einer normalen Geometrie ohne zusätzliche Plasmaquel len die Schichtrate von außen nach innen gemäß der Abhängigkeit 1/r zu nimmt, kann erfindungsgemäß die Zunahme deutlich reduziert werden bzw. beliebig eingestellt werden. Dies ermöglicht es auch, die Standzeit der Anlage (Reinigung) deutlich zu erhöhen, da die Masken kleiner gemacht werden kön nen. 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 redu ziert wird. This offers the option of setting the distribution much more precisely. While in a normal geometry without additional plasma sources the layer rate increases from the outside to the inside according to the dependency 1 / r, according to the invention the increase can be significantly reduced or set as desired. This also makes it possible to significantly increase the service life of the system (cleaning), since the masks can be made smaller. To this extent, in the most favorable case, the plasma impedance can also be reduced. This is generally advantageous for the cleanliness of the coating because the tendency to arc discharges and thus the formation of particles is reduced.
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. The invention can also be used to create a stronger gradient. Here, the already existing layer thickness gradient can be increased again by means of a diaphragm, without the need for very sharp structures and edges on the mask.
Je nach Magnetdesign der Magnetronquellen kann das Plasma unterschiedlich weit in den Raum hineinreichen. Somit kann sich das Substrat entweder im Plasma oder außerhalb befinden, wobei der Übergang fließend ist. Hinsicht lich einer geringen Partikelbelastung ist es günstig, dass sich das Substrat au ßerhalb des Plasmas befindet, da sich Partikel oft in der Nähe elektrischer Fel der gehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Plasma vom Substrat zu entkoppeln. Dies hat 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 zustande kommen, wenn Elektronen entweder eine metallische Oberfläche (vom Drehteller) oder eine isolierende Oberfläche (des Substrats) sehen. Bei der leitfähigen Oberfläche würden Elektronen abgezo gen, so dass dort weniger Plasma entstehen kann und die Plasmadichte dort reduziert wird. Dies wird sich auch auf die Sputterrate aus, weil zu bestimm ten Zeitpunkten weniger Elektronen im Plasma vorhanden sind. Hierbei kann auch ein Rücksputtereffekt auftreten. Die Auswirkung ist ähnlich der des sog. „Picture Frame"-Effects (beschrieben in US 2007/0227882 Al). Dort führen bei inline Anlagen Druckstöße im Reaktivgas am Anfang und Ende der Glas scheiben zu Ratenänderungen, so dass an den Enden der Glasscheiben eine andere Schichtdicke vorherrscht. Allerdings sind die beiden Effekte in Ihrer Ur sache unterschiedlich. Depending on the magnet design of the magnetron sources, the plasma can reach different distances into the room. Thus, the substrate can be either in the plasma or outside, the transition being fluid. With regard to a low particle load, it is favorable that the substrate is located outside the plasma, since particles are often kept in the vicinity of electrical fields. The method according to the invention makes it possible to decouple the plasma from the substrate. This has advantages for a good distribution of the layer thickness on the running substrate in the running direction. If there are fluctuations in the plasma density when the substrate passes through the plasma, there will be deviations from the uniformity along the direction of travel. This can happen when electrons see either a metallic surface (off the turntable) or an insulating surface (the substrate). Electrons would be withdrawn from the conductive surface, so that less plasma can be generated there and the plasma density is reduced there. This will also have an impact on the sputtering rate, because fewer electrons are present in the plasma at certain times. A sputtering back effect can also occur here. The effect is similar to that of the so-called. "Picture Frame" effects (described in US 2007/0227882 A1). In inline systems, pressure surges in the reactive gas at the beginning and end of the glass panes lead to rate changes, so that a different layer thickness prevails at the ends of the glass panes Effects differ depending on their cause.
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 co-gesputterten Materialien. Der Grund hierfür ist, dass Edelgas und/oder Reaktivgas einer Magnetron-Sputtereinrich tung daran gehindert wird, in eine weitere Magnetron-Sputtereinrichtung der selben Vorrichtung zu gelangen. Zudem kann durch die effektive Gasraum trennung die Menge an Edelgas und/oder Reaktivgas präziser auf einem be stimmten vordefinierten Wert eingestellt und/oder konstant gehalten wer den. 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 of 1: 100 between the coating stations 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 reaching a further magnetron sputtering device of the same device. In addition, through the effective gas space separation, the amount of noble gas and / or reactive gas can be set more precisely to a certain predefined value and / or kept constant.
Plasmen, basierend auf Magnetronentladungen, bestehen in der Regel zu mehr als 99 % aus nicht-ionisierten Teilchen. Diese können hohe Energien auf weisen und tragen daher stark zu Schichtspannungen bei. Sie lassen sich indi rekt, beispielsweise durch Veränderung des Magnetfeld-Designs oder durch die Verwendung alternativer Sputtergase beeinflussen. Erfindungsgemäß kann das Sputtergas ein Edelgas enthalten oder daraus bestehen. Bevorzugte Edelgase sind Argon, Neon, Xeon und Krypton. Edelgasmischungen sind auch möglich. Das Reaktivgas kann erfindungsgemäß ein oxidierendes Gas enthal ten oder daraus bestehen. Bevorzugte Reaktivgase sind Sauerstoff, Stickstoff, Tetrafluormethan, Octafluorcyclobutan, Kohlendioxid und Fluorwasserstoff. Auch Mischungen dieser Gase können verwendet werden. Plasmas, based on magnetron discharges, usually consist of more than 99% non-ionized particles. These can have high energies and therefore contribute significantly to layer stresses. They can be influenced indirectly, for example by changing the magnetic field design or by using alternative sputtering gases. According to the invention, the sputtering gas can contain or consist of a noble gas. Preferred noble gases are argon, neon, xeon and krypton. Mixtures of noble gases are also possible. According to the invention, 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.
Auch Wasserstoff kann eingesetzt werden. Hydrogen can also be used.
Eine der Varianten der Vorrichtung enthält bevorzugt ein Photometer. One of the variants of the device preferably contains a photometer.
Dadurch wird ermöglicht, photometrisch die Dicke der Schicht auf dem Sub strat während des Sputtering-Prozesses zu kontrollieren. Dazu kann eine schnelle Breitbandmessung (z.B. von 200-2000nm) der Transmission oder Re flexion durchgeführt werden. Die Messungen können unter senkrechter Inzi denz oder auch bei schräger Inzidenz durchgeführt werden. Durch Vergleich mit dem theoretisch zu erwartenden Spektrum kann die Schichtdicke ermit telt und kontrolliert werden. In einigen Fällen kann zusätzlich auch ein Schwingquarz zum Einsatz kommen, beispielsweise bei Kavitätenfiltern, bei denen man bei bestimmten Schichten eine nur geringe Signaländerung der Transmission erwartet. This makes it possible to photometrically control the thickness of the layer on the substrate during the sputtering process. For this purpose, a fast broadband measurement (eg from 200-2000nm) of the transmission or reflection can be carried out. The measurements can be carried out with a vertical incidence or with an inclined incidence. By comparison The layer thickness can be determined and controlled with the theoretically expected spectrum. In some cases, a quartz oscillator can also be used, for example in cavity filters where only a slight change in the transmission signal is expected for certain layers.
Mit Hilfe von mehreren Messköpfen kann an mehreren Stellen die Schichtdi cke quer zur Laufrichtung gemessen werden. Denkbar ist hierfür auch ein Ar- ray-Spektrometer, mit dem sowohl eine spektrale als auch räumliche Messung der Transmission quer zur Laufrichtung erfolgen kann. Somit kann die Schicht dicke quer zur Laufrichtung ermittelt werden und eine Regelung der Vertei lung realisiert werden. With the help of several measuring heads, the layer thickness can be measured across the running direction at several points. An array spectrometer is also conceivable for this, with which both a spectral and spatial measurement of the transmission can take place transversely to the direction of travel. In this way, the layer thickness can be determined transversely to the running direction and the distribution can be regulated.
Die Verteilung der Schichtdicke auf dem Substrat kann auch mit einem einzel nen Photometer mittels Drehen der Substrate um 90° durch Messung in Lauf richtung ermittelt werden. Dieses wird dann durch Drehen des Drehtellers und Messung an mehreren Stellen realisiert. Mit diesem Verfahren kann mit einem einzelnen Spektrometer ein vollständiges Mapping der Schichtdicke auf dem Substrat erfolgen und es kann auch eine Regelung der Schichtdicke auf gebaut werden. Falls eine sehr schnelle Regelung notwendig ist, kann diese auch mit Hilfe eines Mapping-Spektrometers in einem „Push-Broom" Ansatz realisiert werden. Hierbei wird ein 2D-Sensor benutzt, der in der einen Senso rachse quer über das Substrat misst und in der zweiten Sensorachse eine Spektralzerlegung vornimmt. Durch kontinuierliches Drehen der Drehachse der Anlage kann das Substrat vollflächig vermessen werden. The distribution of the layer thickness on the substrate can also be determined with a single photometer by rotating the substrates by 90 ° by measuring in the direction of travel. This is then done by turning the turntable and measuring at several points. With this method, a complete mapping of the layer thickness on the substrate can be carried out with a single spectrometer and a control of the layer thickness can also be built on. If very fast regulation is necessary, this can also be implemented with the help of a mapping spectrometer in a "push-broom" approach. A 2D sensor is used here, which measures across the substrate in one sensor axis and across the substrate in the The substrate can be measured over its entire surface by continuously rotating the axis of rotation of the system.
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. In a further preferred embodiment of the device, the substrate holder has or consists of polyetheretherketone. The use of polyetheretherketone has the advantage that particle formation is reduced.
Weiter ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung ein Regelsystem zur Regelung und/oder Stabilisierung des Reaktivgases in der Magnetron-Sputtereinrich- tung aufweist. Als Regelgröße dient der Reaktivgasdruck, als Stellgröße kann entweder die Leistung der Magnetronquellen dienen, oder alternativ auch die Leistung der Mikrowellen-Plasmaquellen. 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 beispiels weise 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 metal lischen, oxidfreien Zustand, während im Prozessraum genügend Sauerstoff für die Oxidation der wachsenden Schicht vorhanden ist. Die oben genannten Stellgrößen werden in der Regel auf den Sauerstoffpartialdruck oder die Span nung des Generators oder des Targets realisiert. Damit lässt sich in dem Pro zess die Abscheidung stöchiometrischer Schichten mit einer hohen Abscheide rate erreichen, während der störende Einfluss von Partikeln minimiert, d.h. eine hohe Partikelarmut erreicht wird. It is further preferred that the device has a control system for regulating and / or stabilizing the reactive gas in the magnetron sputtering device. The reactive gas pressure is used as the control variable; either the power of the magnetron sources or, alternatively, the power of the microwave plasma sources can serve as the manipulated variable. The advantage of this regulation is that in the method according to the invention no dielectric layer is removed from the target, but rather the target is never covered with a dielectric layer. This can be implemented, for example, by operating metallic targets in what is known as the "transition mode". Here, the cylindrical source material (target) is permanently in a metallic, oxide-free state by suitable control of the generator, while there is enough oxygen in the process space for the oxidation of the growing layer. The above-mentioned manipulated variables are usually implemented on the basis of the oxygen partial pressure or the voltage of the generator or the target. In this way, the deposition of stoichiometric layers can be achieved in the process at a high deposition rate, while the disruptive influence of particles is minimized, that is to say, a low level of particles is achieved.
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 mit einem Sputterkompartiment mindes tens ein Substrat auf einem Drehteller angeordnet wird, um eine Beschichtung bei rotierender Bewegung des Substrates zu ermögli chen, b) mit mindestens einer im Sputterkompartiment angeordneten Mag- netron-Sputterquelle mit mindestens einer Elektrode mindestens eine Schicht auf dem mindestens einen Substrat abgeschieden wird, wobei die Schichten aus Quellmaterial der Elektroden mit Sputtergas gebildet werden. According to the invention, a method for depositing uniform layers on rotationally moving substrates by means of magnetron sputtering is provided, in which a) at least one substrate is arranged on a turntable in a vacuum chamber with a sputtering compartment in order to apply a coating while the substrate is rotating enable b) with at least one magnetron sputter source with at least one electrode arranged in the sputtering compartment, at least one layer is deposited on the at least one substrate, the layers being formed from source material of the electrodes with sputtering gas.
Dabei ist es bevorzugt, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren im Sputter- kompartiment mittels der mindestens einen Mikrowellen-Plasmaquelle eine homogene oder inhomogene Plasmadichte erzeugt wird, die eine homogene oder inhomogene Abtragerate des Quellmaterials auf dem Substrat bewirkt. Erfindungsgemäß werden die Mikrowellenköpfe asymmetrisch im Sputter- kompartiment platziert. Das kann beispielsweise am Ende des einen Magnet rons sein. Wird das Plasma gezündet, so erhöht sich dort das Plasma lokal und die Rate steigt an dem betreffenden Ende des Magnetrons an. Das Plasma hat immer eine gewisse Reichweite bedingt durch die Bewegung der Elektronen auf dem Racetrack. Insgesamt kann die Schichtdicke damit an den einem Ende des Magnetrons angehoben werden. Durch Platzieren mehrerer Mikrowellen- Plasmaquellen kann die Verteilung insgesamt verändert werden. It is preferred that in the method according to the invention a homogeneous or inhomogeneous plasma density is generated in the sputtering compartment by means of the at least one microwave plasma source, which causes a homogeneous or inhomogeneous rate of removal of the source material on the substrate. According to the invention, the microwave heads are placed asymmetrically in the sputtering compartment. This can be, for example, at the end of a magnet ron. If the plasma is ignited, the plasma increases locally and the rate increases at the relevant end of the magnetron. The plasma always has a certain range due to the movement of the electrons on the racetrack. Overall, the layer thickness can thus be increased at one end of the magnetron. The overall distribution can be changed by placing several microwave plasma sources.
Möglich ist auch eine zeitliche Modulation der Veränderung des Plasmas. Hierfür ist ein geeigneter Generator für die Mikrowellen-Plasmaquelle not wendig, der sehr schnell ist. Dies ist besonders vorteilhaft möglich durch mo derne, halbleiterbetriebene Mikrowellenquellen, wie sie in W02010/049456 beschrieben sind. A temporal modulation of the change in the plasma is also possible. This requires a suitable generator for the microwave plasma source, which is very fast. This is particularly advantageously possible through modern, semiconductor-operated microwave sources, as described in WO2010 / 049456.
In einer anderen Anordnung sind mehrere Mikrowellen-Plasmaquellen ent lang einer Linie der Längsachse der Magnetronquellen eingesetzt. Günstig ist dabei ein Abstand von ca. 10-15cm, so dass bei einer Kathodenlänge von 60cm etwa 4 Quellen eingebaut sind. Die Mikrowellen-Plasmaquellen können auch rechts oder links von der Linie abweichen, um weitere Einflüsse auf die Verteilung zu nehmen. Um eine Beschichtung der Plasmaköpfe zu vermeiden, werden diese vorzugsweise außerhalb des Beschichtungsbereiches angeord net. Dieses kann zwischen und unterhalb den Magnetronquellen sein. Denk bar ist auch eine Anordnung seitlich entlang der einen oder der beiden Mag netronlängsachsen. Auch eine Kombination ist möglich. In another arrangement, several microwave plasma sources are used along a line along the longitudinal axis of the magnetron sources. A distance of approx. 10-15 cm is favorable, so that with a cathode length of 60 cm, approx. 4 sources are installed. The microwave plasma sources can also deviate to the right or left of the line in order to have further influences on the distribution. In order to avoid coating the plasma heads, they are preferably arranged outside the coating area. This can be between and below the magnetron sources. An arrangement laterally along one or both of the magnetic longitudinal axes is also conceivable. A combination is also possible.
Als Sputtergas wird vorzugsweise ein Edelgas, insbesondere Argon, verwen det. A noble gas, in particular argon, is preferably used as the sputtering gas.
Zusätzlich zum Sputtergas kann vorzugsweise mindestens ein Reaktivgas ver wendet werden, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Fluorwasserstoff, Tetrafluor methan, Octafluorcyclobutan und Mischungen hiervon. In addition to 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.
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. A preferred variant provides that, for process control, the thickness of the layer on the substrate is controlled by at least one of the measures a) to e): a) optical transmission monitoring; b) optical reflection monitoring; c) optical absorption monitoring; d) single wavelength ellipsometry or spectral ellipsometry; and / or e) quartz oscillator measurement.
Mikrowellenplasmen werden durch metallische Schichten abgeschirmt. Daher sollte eine Beschichtung der Mikrowellen-Plasmaquelle - insbesondere mit leitfähigem Material - vermieden werden. Daher kann vorteilhafterweise die Mikrowellenquelle mit einem Beschichtungsschutz ausgestattet werden. Hier bei wird eine Umhüllung vorgesehen, die mit Neutralgas geflutet wird, so dass das ausströmende Gas verhindert, dass Teilchen an die Mikrowellen-Plasma quelle gelangen. Die Gasversorgung des Sputterkompartiments kann dann al leine aus dieser Gasquelle geschehen. Für die Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise die erfindungsge mäße Vorrichtung eingesetzt. Microwave plasmas are shielded by metallic layers. Therefore, coating the microwave plasma source - in particular with conductive material - should be avoided. The microwave source can therefore advantageously be equipped with a coating protection. Here at an envelope is provided that is flooded with neutral gas so that the outflowing gas prevents particles from reaching the microwave plasma source. The gas supply to the sputtering compartment can then be done from this gas source alone. The device according to the invention is preferably used to carry out the method.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Aus- führungsformen einzuschränken. The subject according to the invention is intended to be explained in more detail with reference to the following figures, without restricting it to the specific embodiments shown here.
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. 1 shows a device according to the invention without a turntable in plan view. Fig. 2 shows a device according to the invention with a turntable in plan view
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittdarstellung Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittdarstellung 3 shows a device according to the invention in a sectional illustration. FIG. 4 shows a device according to the invention in a sectional illustration
Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Figur 4 in der Ebene quer dazu Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Variante in einer Schnittdarstellung FIG. 5 shows the device according to the invention from FIG. 4 in the plane transverse thereto 6 shows a device according to the invention in a second variant in a sectional illustration
Fig. 7 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Figur 6 in der Ebene quer dazu FIG. 7 shows the device according to the invention from FIG. 6 in the plane transverse thereto
Fig. 1 zeigt schematisch in der Draufsicht eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Drehteller. Die Vorrichtung weist drei Magnetron-Sputter- einrichtungen 2, 3, 4 auf, wovon eine in der Einzelmagnetronanordung 2 und zwei in der Doppelmagnetronanordnung 3, 4 ausgestaltet sind. Die Magnet- ron-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 Mikrowellen-Plasmaquelle 12 und ein Photometer 16 und/oder eine Ellipso- metrieflansche 17. Fig. 1 shows a schematic plan view of a preferred device according to the invention without a turntable. The device has three magnetron sputtering devices 2, 3, 4, one of which is designed in the single magnetron arrangement 2 and two in the double magnetron arrangement 3, 4. The magnetron sputtering device 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 are located in a vacuum 1. In the vicinity of the magnetron sputtering devices 2, 3, 4 there is a microwave plasma source 12 and a photometer 16 and / or an ellipsometric flange 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. Figure 2 shows schematically in plan view a preferred embodiment of the turntable. The turntable 10 is located in the device and has ten identical substrate holders 9 in this example.
Figur 3 zeigt schematisch in der Seitenansicht eine bevorzugte Ausgestaltungs form der Vorrichtung mit Drehteller 10. Es ist der Querschnitt einer Magnet- ron-Sputtereinrichtung sichtbar, welche zwei Zylinder aus Quellmaterial 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, enthält Sputtergas 11, opti onal Reaktivgas 8, und ist unter Vakuum 1. Zwei Substrathalterungen 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 ab schließt. FIG. 3 shows a schematic side view of a preferred embodiment of the device with rotary plate 10. The cross section of a magnetron sputtering device is visible, which contains two cylinders made of swelling material 6, 7 (double magnetron arrangement). The magnetron sputtering device is delimited from the rest of the device in a gas-tight manner on the sides of boundary walls 14, 15 and above by the turntable 10, contains sputtering gas 11, optionally reactive gas 8, and is under vacuum 1. Two substrate holders 9 of the turntable 10 are in the Cross-section shown or visible. Above the turntable 10 is a cover 13, which closes the device gas-tight with boundary walls which are located on the side of the turntable 10.
Figur 4 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung. 100 zeigt die Va- kuumkammer, in der ein Sputterkompartiment 101 eingebaut ist. Das Sub strat 102 befindet sich auf dem Drehteller 103, der während der Beschichtung kontinuierlich um die Mitte rotiert. Die Beschichtung wird in diesem Beispiel entgegen der Schwerkraft von unten nach oben betrieben. Die Magnetro nelektroden 6 befinden sich dementsprechend unterhalb des Substrats. Durch eine Beschichtungsmaske 104 kann die Verteilung der Beschichtung so einge stellt werden, dass auf dem Substrat eine homogene Schicht abgeschieden wird. Die Anordnung enthält zwei Mikrowellen-Plasmaquellen 106, die zwi schen den beiden Magnetronquellen jeweils an den Enden der Kathoden an geordnet sind. Die Magnetronquellen enthalten auch einen Shutter 107, der zwischen Substrat und Magnetronquelle gedreht werden kann, so dass die Bechichtung gestoppt werden kann. An die Mikrowellen-Plasmaquelle ist eine Stromdurchführung 108 und ein Generator 109 angeschlossen. 111 ist der Pumpflansch und 110 ist eine Abschirmung gegen herunterfallende Teilchen zum Schutz der Pumpe. Figure 4 shows schematically the device according to the invention. 100 shows the variance vacuum chamber in which a sputtering compartment 101 is installed. The sub strate 102 is located on the turntable 103, which rotates continuously around the center during the coating. In this example, the coating is operated from bottom to top against gravity. The Magnetro electrodes 6 are accordingly located below the substrate. A coating mask 104 can be used to set the distribution of the coating in such a way that a homogeneous layer is deposited on the substrate. The arrangement contains two microwave plasma sources 106, which are arranged between tween the two magnetron sources at the ends of the cathodes. The magnetron sources also contain a shutter 107 which can be rotated between the substrate and the magnetron source so that the coating can be stopped. A power feedthrough 108 and a generator 109 are connected to the microwave plasma source. 111 is the pump flange and 110 is a shield against falling particles to protect the pump.
Die Figur 5 zeigt die gleiche Anordnung in der Sicht senkrecht dazu. FIG. 5 shows the same arrangement in a view perpendicular thereto.
Figur 6 und 7 zeigen eine alternative erfindungsgemäße Anordnung. Hierbei wurde der Abstand zwischen der Magnetronquelle 105 und dem Substrat 102 erhöht. Es wurden zwei Mikrowellen-Plasmaquellen 106 am äußeren Ende der Magnetrons angeordnet. Somit lässt sich durch Erhöhung der Mikrowellen- Plasmaquellenleistung die Rate zum äußeren Rand hin erhöhen, so dass weni ger Beschichtung von Maske 104 abgeschirmt werden muss. Auch bei dem größeren Abstand werden gleiche Schichteigenschaften realisiert, indem der Prozess bei einem Druck von etwa 7c10L-4 mbar betrieben wird. Figures 6 and 7 show an alternative arrangement according to the invention. Here, the distance between the magnetron source 105 and the substrate 102 has been increased. Two microwave plasma sources 106 were placed at the outer end of the magnetrons. Thus, by increasing the microwave plasma source power, the rate can be increased towards the outer edge, so that less coating of mask 104 has to be shielded. Even with the larger distance, the same layer properties are achieved by operating the process at a pressure of about 7c10 L -4 mbar.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung zur Abscheidung uniformer Schichten auf rotatorisch be wegten Substraten mittels Magnetron-Sputtern enthaltend a) eine Vakuumkammer mit einem Sputterkompartiment, b) mindestens einen Einlass für ein Sputtergas, c) einen Drehteller mit mindestens einer Substrathalterung und d) mindestens eine im Sputterkompartment angeordnete Magnetron- Sputterquelle mit mindestens einer Elektrode, wobei im Sputterkompartment mindestens eine weitere Mikrowellen- Plasmaquelle angeordnet ist. 1. Device for the deposition of uniform layers on rotating substrates by means of magnetron sputtering containing a) a vacuum chamber with a sputtering compartment, b) at least one inlet for a sputtering gas, c) a turntable with at least one substrate holder and d) at least one arranged in the sputtering compartment Magnetron sputter source with at least one electrode, at least one further microwave plasma source being arranged in the sputtering compartment.
2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mikrowellen-Plas- maquelle eine Magnetfeldkonfiguration zur Erzeugung eines räumlich lokalisierten Plasmas aufweist. 2. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one microwave plasma source has a magnetic field configuration for generating a spatially localized plasma.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Gene rator zur Leistungsversorgung der mindestens einen Mikrowellen-Plas- maquelle aufweist, wobei der mindestens eine Generator vorzugs weise in der Leistung zeitlich modulierbar ist. 3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has at least one generator for supplying power to the at least one microwave plasma source, the power of the at least one generator preferably being modulatable over time.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mikrowellen-Plas- maquelle zur lokalen Plasmaverdichtung asymmetrisch zu einer der Achsen der mindestens einen Elektrode angeordnet ist. 4. The device according to claim 1, characterized in that the at least one microwave plasma source for local plasma compression is arranged asymmetrically to one of the axes of the at least one electrode.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mikrowellen-Plas- maquelle einen Beschichtungsschutz aufweist, insbesondere eine die Plasmaquelle teilweise umhüllende metallische oder keramische oder glasartige Struktur, die einen Gaseinlass für ein Neutralgas und/oder Reaktivgas aufweist. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one microwave plasma source has a coating protection, in particular a metallic or ceramic or glass-like structure that partially envelops the plasma source and has a gas inlet for a neutral gas and / or reactive gas.
6. 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. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inhomogeneous removal rate increases from the turntable center to the turntable edge, preferably increases linearly, is particularly preferably proportional to the distance from the turntable center.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine zusätz liche Plasmaquelle zur Vorbehandlung der Substratoberfläche und/o der zur Modifizierung der Struktur und/oder der Stöchiometrie der Schicht aufweist. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has at least one additional plasma source for pretreating the substrate surface and / or for modifying the structure and / or the stoichiometry of the layer.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Magnetron-Sput- terquelle aus Elektroden aus einem zylindrischen oder planaren Quell material sowie einer Halterung für dieses Material und einem dazuge hörigen Target besteht. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one magnetron sputter source consists of electrodes made of a cylindrical or planar source material and a holder for this material and an associated target.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand vom Substrat zu der min destens einen Elektrode für jede Elektrode unabhängig voneinander von 5 bis 40 cm, vorzugsweise 5 bis 30 cm, besonderes bevorzugt 6 bis 20 cm und ganz besonders bevorzugt 6 bis 12 cm beträgt, vorzugs weise in Abhängigkeit von dem Prozessdruck im Sputterkompartiment 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the distance from the substrate to the at least one electrode for each electrode independently of one another from 5 to 40 cm, preferably 5 to 30 cm, particularly preferably 6 to 20 cm and very particularly preferred 6 to 12 cm, preferably as a function of the process pressure in the sputtering compartment
10. 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. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has a pulsed in the medium frequency range or a pulsed direct current supply (DC ge pulsed).
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Photometer zur Be stimmung der Dicke der Schicht auf dem Substrat und/oder Ellipso- metrieflansche und/oder ein Bauelement, welches eine Polarisations wirkung ausübt, enthält. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device contains a photometer for determining the thickness of the layer on the substrate and / or ellipsometric flanges and / or a component which exerts a polarization effect.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein optisches Messgerät zur Bestimmung der Schichtdickenverteilung aufweist. 12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has an optical measuring device for determining the layer thickness distribution.
13. 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. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has a control system for Re gelation and / or stabilization of the partial pressure in the magnetron sputtering device.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Korrek turblende aufweist. 14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has at least one Korrek turblende.
15. Verfahren zur Abscheidung uniformer Schichten auf rotatorisch be wegten Substraten mittels Magnetron-Sputtern, bei dem a) in einer Vakuumkammer mit einem Sputterkompartment mindes tens ein Substrat auf einem Drehteller angeordnet wird, um eine Beschichtung bei rotierender Bewegung des Substrates zu ermögli chen, b) mit mindestens einer im Sputterkompartment angeordneten Mag- netron-Sputterquelle mit mindestens einer Elektrode mindestens eine Schicht auf dem mindestens einen Substrat abgeschieden wird, wobei die Schichten aus Quellmaterial der Elektroden mit Sputtergas gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Sputterkompartment mit mindestens einerweiteren Mikrowellen-Plasmaquelle eine homogene oder inho mogene Plasmadichte erzeugt wird, die eine homogene oder inhomo gene Abtragerate des Quellmaterials auf dem Substrat bewirkt. 15. A method for the deposition of uniform layers on substrates moving in rotation by means of magnetron sputtering, in which a) at least one substrate is arranged on a turntable in a vacuum chamber with a sputtering compartment in order to enable a coating with a rotating movement of the substrate, b) with at least one magnetron sputter source with at least one electrode arranged in the sputtering compartment, at least one layer is deposited on the at least one substrate, the layers being formed from source material of the electrodes with sputtering gas, characterized in that in the sputtering compartment with at least one further microwaves -Plasmaquelle a homogeneous or inhomogeneous plasma density is generated, which causes a homogeneous or inhomogeneous removal rate of the source material on the substrate.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Magnetron-Sputterquelle die min destens eine weitere Mikrowellen-Plasmaquelle eingesetzt wird, wodurch der Sputterprozess im Druckbereich unterhalb von 5x10-3 mbar, bevorzugt unter 3 x 10-3mbar, besonders bevorzugt zwischen 1x10-4 mbar und 1 x 10-3 mbar, ganz besonders bevorzugt zwischen 3x10-4 mbar und 8 x 10-4 betrieben werden kann. 16. The method according to claim 15, characterized in that the at least one further microwave plasma source is used for the magnetron sputter source, whereby the sputtering process in the pressure range below 5x10-3 mbar, preferably below 3 x 10-3 mbar, particularly preferably between 1x10 -4 mbar and 1 x 10-3 mbar, very particularly preferably between 3x10-4 mbar and 8 x 10-4 can be operated.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, 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. The method according to any one of claims 15 or 16, characterized in that the inhomogeneous removal rate increases from the turntable center to the turntable edge, preferably increases linearly, is particularly preferably proportional to the distance from the turntable center.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren mindestens eine zu sätzliche Plasmaquelle verwendet wird, wobei die mindestens eine mindestens eine zusätzliche Plasmaquelle die Oberfläche des Substra tes über Plasmaeinwirkung vorbehandelt und/oder die mindestens eine Plasmaquelle vorzugsweise die Struktur und/oder die Stöchiomet rie der Schicht über Plasmaeinwirkung modifiziert. 18. The method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that at least one additional plasma source is used in the method, the at least one additional plasma source pretreating the surface of the substrate via plasma action and / or the at least one plasma source preferably the structure and / or the stoichiometry of the layer modified via the action of plasma.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Sputtergas ein Edelgas, insbesondere Argon, verwendet wird. 19. The method according to any one of claims 15 to 18, characterized in that a noble gas, in particular argon, is used as the sputtering gas.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit der mindestens einen weiteren Mik- rowellen-Plasmaquelle über deren Plasmaleistung die Plasmadichte der Magnetron-Sputterquelle lokal erhöht wird, so dass insbesondere eine inhomogene Abtragrate resultiert. 20. The method according to any one of claims 15 to 19, characterized in that the plasma density of the magnetron sputter source is increased locally with the at least one further microwave plasma source via its plasma power, so that in particular an inhomogeneous removal rate results.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Sputtergas mindestens ein Reaktivgas verwendet wird, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendi oxid, Formiergas, Fluorwasserstoff, Acethylen, Tetrafluormethan, Octafluorcyclobutan und Mischungen hiervon. 21. The method according to any one of claims 15 to 20, characterized in that in addition to the sputtering gas, at least one reactive gas is used, in particular selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, hydrogen, carbon dioxide, forming gas, hydrogen fluoride, acetylene, tetrafluoromethane, octafluorocyclobutane and Mixtures thereof.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, 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. 22. The method according to any one of claims 15 to 21, characterized in that for process control the thickness of the layer on the substrate is controlled by at least one of the measures a) to e): a) time control b) optical transmission monitoring; c) optical reflection monitoring; d) optical absorption monitoring; e) single wavelength ellipsometry or spectral ellipsometry; and / or f) quartz oscillator measurement.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 15 verwendet wird. 23. The method according to any one of claims 15 to 22, characterized in that a device according to one of claims 1 to 15 is used.
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