EP4496908A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutz sauerstoffsensitiver targetmaterialien in einer beschichtungsquelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum schutz sauerstoffsensitiver targetmaterialien in einer beschichtungsquelle

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EP4496908A1
EP4496908A1 EP23707672.4A EP23707672A EP4496908A1 EP 4496908 A1 EP4496908 A1 EP 4496908A1 EP 23707672 A EP23707672 A EP 23707672A EP 4496908 A1 EP4496908 A1 EP 4496908A1
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EP
European Patent Office
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coating source
shutter
process chamber
coating
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23707672.4A
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English (en)
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Sven Haeberlein
Detlef Sontag
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FHR Anlagenbau GmbH
Original Assignee
FHR Anlagenbau GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/332—Coating

Definitions

  • Sputtering is a coating technique from the group of PVD processes (physical vapor deposition).
  • Sputtering also known as cathode sputtering, is a physical process in which atoms are released from a solid, the so-called target, by bombarding them with high-energy (noble gas) ions and pass into the gas phase.
  • high-energy (noble gas) ions ions that are released from a solid, the so-called target, by bombarding them with high-energy (noble gas) ions and pass into the gas phase.
  • different sputtering technologies are used.
  • sputtering is used to atomize a material, which is then deposited on a substrate and forms a solid layer.
  • shutter systems are used to control the material flow onto the substrates to be coated.
  • Sputtering takes place in a coating system under vacuum conditions.
  • a voltage is applied between two electrodes and a working gas is admitted into the gas space.
  • a plasma forms in the gas space.
  • the target usually forms the negative electrode and the substrate to be coated usually forms the positively charged electrode.
  • an additional magnetic field is arranged behind the cathode.
  • reactive sputtering one or more reactive gases are added to the inert working gas (argon). The gases react with the sputtered layer atoms on the target in the vacuum chamber or on the substrate and form new materials.
  • ion beam sputtering a beam of noble gas sputtering ions (argon, krypton, xenon) is directed from an ion source onto the target - atomization occurs due to the impacting ion beam.
  • the coating system is switched on, ie the voltage is applied to the electrodes and the plasma is ignited and the desired operating power is set and run in for a stable process. Only then is the shutter opened to begin coating the substrates.
  • the coating source is previously shielded by a shutter. To ensure ignition of the plasma, there must be a gap of a few millimeters between the coating source and the shutter.
  • a sheet of metal is swiveled from the side in front of the coating source as a shutter, so that no material from the coating source inadvertently gets onto the substrates to be coated.
  • the shutter plates used have been pushed in front of the coating source at a distance of approximately 1 to 4 mm.
  • this distance cannot ensure complete, closed shielding of the coating source.
  • the distance is necessary for sputtering in a coating source. Smaller, ie smaller, distances cannot be achieved in practical implementation, as these usually lead to friction between the shutter plate and the coating source. These rubbing effects cause many unwanted particles, which can lead to additional contamination of the coated substrates, which can also lead to the layers detaching from the substrate. The quality of the layers can be severely affected by these effects.
  • a shutter mechanism in which a shutter is connected via a coupling system is connected to an actuator such that the shutter can be moved in a composite movement from an open position to a closed position via a coating source.
  • the actuator only carries out a linear movement along a translation axis, with a linear movement of the shutter being converted into a tilting movement and then back into a final linear movement via a groove curve until the shutter encloses the sputtering source.
  • the shutter first carries out a linear movement along the translation axis of the actuator, then a rotary movement, e.g. B. by 90 ° to the translation axis of the actuator and finally a linear movement again along the translation axis of the actuator.
  • a disadvantageous curvature of the gas plasma can also occur during the opening and closing of the shutter, since the Angle between target and shutter surface changed. This can also result in an undesirable coating on the inside of the chamber or the coating source itself.
  • the actuator in WO 2021/091890 A1 is arranged with the groove curve inside the vacuum chamber. The mechanical stress on the coupling system and the associated friction in the groove curve can lead to abrasion, which is undesirable in a coating system with high purity requirements. Maintenance and/or repair of the shutter control is also significantly more complex, as this can only be done when the vacuum chamber is ventilated.
  • the shutter In the method of protecting a coating source comprising a reactive coating material, wherein the coating source with the coating material being shielded from a process chamber by a shutter, the shutter first sealingly closes the coating source and a protective gas is admitted via a gas inlet into a coating source space, which is formed by the coating source and the shutter, and there is an overpressure in the coating source space a vacuum chamber pressure within the process chamber and later when the process chamber is ventilated compared to an atmospheric pressure outside the process chamber. A further gas is then admitted into the process chamber to react, that is, to neutralize coatings in the process chamber. The layers are passivated.
  • the process chamber can now be ventilated with air or nitrogen without an unwanted reaction taking place.
  • the process chamber is then opened to the atmosphere, ie the door of the process chamber to the environment is opened, with an overpressure always being maintained in the coating source space.
  • This permanent excess pressure in the coating source space prevents gases, in particular oxygen, from reaching the coating source, in particular the reactive target material, and reacting with it.
  • the shutter closes the coating source space and is accordingly closed, i.e. pivoted over the coating source.
  • the coating source should be turned off.
  • the reactive coating material is an oxygen-sensitive target material, for example lithium, magnesium, calcium and / or a similarly highly reactive material as that aforementioned. Lithium is very reactive and reacts with many elements and compounds. It therefore needs special protection to avoid cross-contamination.
  • an inert gas in particular nitrogen or argon, is used as a protective gas as a further protective measure.
  • the constant overpressure in the coating source space closed by the shutter and the protective gas admitted has the advantage that no oxygen or air can penetrate behind the shutter into the coating source space.
  • carbon dioxide is admitted into the process chamber as a further gas for reacting or neutralizing coatings in the process chamber. This prevents further reactions in the process chamber and further minimizes contamination of the coating source.
  • the object of the invention is also achieved by a sputtering system according to the invention according to the independent arrangement claim 6.
  • the sputtering system includes a process chamber and at least one coating source space, which is formed from a coating source and a shutter and is arranged within the process chamber.
  • This sputtering system or coating system is suitable for carrying out the method according to claims 1 to 5.
  • the shutter can be positioned above the coating source by means of a rotary and/or pivoting and/or folding/tilting movement and the shutter is designed to carry out an additional relative movement to the coating source and / or the coating source is designed to carry out an additional relative movement to the shutter, the shutter sealingly covering the coating source and a permanent overpressure in the coating source space can be formed during a maintenance process of the sputtering system.
  • the relative movement is advantageously a lifting movement. This prevents unwanted particles, gas atoms, etc. from reaching the target, ie into the coating source space.
  • the coating source space comprises a target made of an oxygen-sensitive material, for example lithium, magnesium and / or calcium.
  • the shutter can be positioned above the coating source by means of a rotary and/or pivoting and/or folding/tilting movement and the shutter is designed to carry out an additional relative movement in the form of a lifting movement to the coating source and/or the coating source is designed to carry out an additional relative movement
  • the shutter covers the coating source in a sealing manner.
  • a sealing cover means the complete shielding of the coating source from the rest of the process chamber, so that both any cross-contamination on the coating source and unwanted coatings on the substrate to be coated are prevented. Oxygen cannot therefore enter the coating source space and contaminate the target material and cause undesirable reactions.
  • the shutter of the sputtering system according to the invention is not only pivoted or rotated or folded/tilted over the coating source according to a first degree of freedom, but the shutter or the coating source are moved in a sealing manner relative to one another according to a second degree of freedom by a relative movement between the shutter and the coating source.
  • the shutter carries out a lifting movement towards the coating source or the coating source carries out a lifting movement towards the shutter, so that the shutter and the coating source are positioned one above the other in a sealing manner, i.e. completely closed. Both movements can be carried out independently of each other, so that the shutter can be positioned in any required and desired position.
  • the gas plasma is not deflected by the movements of the shutter.
  • the shutter can be positioned, for example, by a rotational movement about an axis or by a pivoting movement by moving laterally towards the coating source or by a folding/tilting movement above the coating source. Only then does the relative movement or lifting movement between the shutter and the coating source take place.
  • the rotating/swivelling/folding/tilting and/or lifting movements are caused by shutter movement means such as motors or lifting cylinders.
  • the shutter system control is located outside the vacuum chamber, so that abrasion caused by mechanical components inside the vacuum chamber is reduced to a minimum.
  • the proposed solution allows a much more compact arrangement of different coating sources to take place in a parallel and/or co-coating arrangement (e.g. sputtering arrangement), since cross-contamination of the coating sources is prevented. A large overhang of the shutter plates is no longer necessary.
  • the relative movement between the shutter and the coating source is formed by means of bellows or ring seals and/or sliding feedthroughs. This reduces mechanical wear within the vacuum chamber to a minimum. Contamination due to abrasion or mechanical friction does not occur.
  • the relative movement between the shutter and the coating source occurs by means of a lifting movement, which occurs either through the shutter or through the coating source.
  • a distance between the coating source and the shutter is designed to be adjustable. This has the advantage that the distance between the shutter and the coating source can be set to zero, particularly during maintenance work in the process chamber, so that contamination of the target is prevented.
  • Another advantage is that the necessary gap between the coating source and the shutter can be set at the start of the process to ignite the plasma during the sputtering process Coating process, especially with multiple coating sources, the respective coating source that is not currently in use can be optimally shielded in a sealing manner.
  • the control of the shutter system according to the invention allows the shutter to be held in any required and desired position. This is made possible by the separately controllable and independently executable movements of the shutter system.
  • the shielding is optimized even further if, in a further embodiment of the shutter system according to the invention, the shutter has a cranked edge. Thanks to the cranked edge, the shutter acts like a kind of hood over the coating source, so that cross-contamination can be completely prevented.
  • the shutter and the coating source have a round or oval or rectangular or polygonal shape. This means that the shutter can be adapted to the shape of the coating source to be covered in order to seal it optimally.
  • the shutter system of the sputtering system can also be easily adapted to any coating source.
  • the method according to the invention for protecting a coating source, in particular a reactive, oxygen-sensitive target material, in a sputtering system and the sputtering system according to the invention for carrying out the method according to the invention can be used for any coating source with a directed particle stream.
  • An effective prevention of cross-contamination of the coating source and the Preventing reactions with a reactive target material is therefore simple and compact.
  • the invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments.
  • the associated drawings show: FIG.
  • FIG. 1 Sputtering system according to the invention with a coating source (a sputtering target) in a coating source space, which can be closed with a shutter with a cranked edge;
  • FIG. 2 Schematic representation of process steps a) to i) according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the sputtering system 1 according to the invention, which comprises a process chamber 2 in which at least one coating source space 3 is arranged, which is formed from a coating source 4 and a shutter 5.
  • the process chamber 2 also has an inlet valve 6 for a reacting gas, a ventilation valve 7 for the process chamber 2, a vacuum pump 8 and a glove box 9 for carrying out maintenance work or changing the substrate and / or target 11, without this Having to interrupt the vacuum in the process chamber 2.
  • the coating source space 3 additionally has an inlet 10 for a protective gas, e.g. B. nitrogen and / or argon.
  • a protective gas e.g. B. nitrogen and / or argon.
  • the protective gas which is pressurized into the coating source space 3 with an excess pressure compared to a vacuum chamber pressure within the process chamber 2 and later with an atmospheric pressure outside the process chamber 2 when the process chamber 2 is ventilated, prevents oxygen from penetrating into the coating source space 3 through a residual gap.
  • Figure 2 shows a schematic representation of the process steps according to the invention using the sputtering system according to the invention. In a normal coating process, the substrate 13 to be coated is located in the process or vacuum chamber 2 opposite the coating source 4.
  • the coating source space 3 is open, that is, the shutter 5 is pivoted/rotated/folded to the side so that material from the target 11 is removed / sputtered and deposited on the substrate surface 13.
  • the shutter 5 is moved again in front of the coating source 4 in such a way that no gap remains between the shutter 5 and the coating source 4. This is ensured mechanically by the additional relative movement between shutter 5 and coating source 4.
  • the control of the shutter system 5 is located outside the vacuum chamber 2, so that abrasion caused by mechanical components within the vacuum chamber 2 is reduced to a minimum.
  • the coating source 4 is now switched off.
  • a protective gas e.g. B. nitrogen or argon is introduced into the coating source space 3 via a gas inlet 10.
  • the process chamber 2 is then filled with an exhaust gas, e.g. B. CO 2 , flooded so that components in the vacuum chamber 2 can react and the process chamber 2 is neutralized inside.
  • an overpressure is generated in the coating source space 3 to prevent the penetration of particles and gases, e.g. B. oxygen, to effectively prevent.
  • the gas is pumped out of the process chamber 2 and the excess pressure in the coating source space 3 is further maintained.
  • nitrogen or another substance is supplied via a ventilation valve 7 Ventilation gas is passed into the process chamber 2 and a small excess pressure compared to an atmospheric pressure outside the process chamber 2 is further maintained in the coating source space 3.
  • the process chamber 2 can then be opened and necessary maintenance work etc. can be carried out, with the constant low overpressure in the coating source space 3 completely preventing contamination of the reactive, in particular oxygen-sensitive, target materials 11.

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Schutz sauerstoffsensitiver Targetmaterialien in einer Beschichtungsquelle. Die Aufgabe ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, mittels denen reaktive, insbesondere sauerstoffsensitive Targetmaterialien einer Beschichtungsquelle vor Kontaminationen und ungewollten Reaktionen geschützt werden können, wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem zunächst der Shutter die Beschichtungsquelle abdichtend verschließt und ein Schutzgas über einen Gaseinlass in einen Beschichtungsquellenraum, der durch die Beschichtungsquelle und den Shutter gebildet wird, eingelassen wird. Dabei wird ein Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum gegenüber einem Vakuumkammerdruck innerhalb der Prozesskammer eingestellt. Anschließend wird in die Prozesskammer ein weiteres Gas zum Abreagieren, d. h. Neutralisieren von Beschichtungen in der Prozesskammer, in die Prozesskammer eingelassen. Nun wird die Prozesskammer mit Luft oder Stickstoff belüftet, ohne dass eine ungewollte Reaktion stattfindet. Die Prozesskammer wird anschließend zur Atmosphäre hin geöffnet, d. h. die Tür der Prozesskammer zur Umgebung wird geöffnet, wobei dann stets ein Überdruck gegenüber der Atmosphäre in dem Beschichtungsquellenraum aufrechterhalten wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schutz sauerstoffsensitiver Targetmaterialien in einer Beschichtungsquelle Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Schutz sauerstoffsensitiver Targetmaterialien in einer Beschichtungsquelle. Das Sputtern ist eine Beschichtungstechnik aus der Gruppe der PVD-Verfahren (physical vapour deposition). Unter Sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt, versteht man einen physikalischen Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper, dem sogenannten Target, durch Beschuss energiereicher (Edelgas-) Ionen herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. Abhängig von den eingesetzten Materialien sowie den vorgesehenen Schichteigenschaften und Abscheideraten kommen verschiedene Sputtertechnologien zum Einsatz. Im Bereich der Beschichtungstechnik dient das Sputtern demnach dem Zerstäuben eines Materials, welches sich anschließend auf einem Substrat niederschlägt und eine feste Schicht bildet. Um eine definierte Schichtdicke beim Beschichten, insbesondere beim Sputtern, von verschiedenen Materialien auf ein Substrat zu erzielen, werden Shuttersysteme verwendet, um den Materialfluss auf die zu beschichtenden Substrate zu steuern. Das Sputtern findet in einer Beschichtungsanlage unter Vakuumbedingungen statt. In Abhängigkeit von der eingesetzten Sputtervariante (DC-Sputtern, HF-Sputtern, Magnetronsputtern, Ionenstrahlsputtern, Reaktives Sputtern, u. a.) wird zwischen zwei Elektroden eine Spannung angelegt und ein Arbeitsgas in den Gasraum eingelassen. Durch Stoßionisation der Atome des eingesetzten Arbeitsgases, z. B. Argon, bildet sich im Gasraum ein Plasma aus. Das Target bildet zumeist die negative Elektrode und das zu beschichtende Substrat bildet zumeist die positiv geladene Elektrode. Beim Magnetronsputtern ist hinter der Kathode ein zusätzliches Magnetfeld angeordnet. Beim reaktiven Sputtern werden dem inerten Arbeitsgas (Argon) ein oder mehrere reaktive Gase zugesetzt. Die Gase reagieren am Target in der Vakuumkammer oder am Substrat mit den zerstäubten Schichtatomen und bilden neue Materialien. Beim Ionenstrahlsputtern wird aus einer Ionenquelle ein Strahl von Edelgas-Sputterionen (Argon, Krypton, Xenon) auf das Target geleitet – es kommt zur Zerstäubung durch den auftreffenden Ionenstrahl. Für einen stabilen Sputterprozess wird die Beschichtungsanlage eingeschaltet, d. h. die Spannung an die Elektroden angelegt und das Plasma gezündet und die gewünschte Betriebsleistung für einen stabilen Prozess eingestellt und eingefahren. Erst im Anschluss wird der Shutter geöffnet, um die Beschichtung der Substrate zu beginnen. Zuvor wird die Beschichtungsquelle durch einen Shutter abgeschirmt. Um das Zünden des Plasmas zu gewährleisten, muss ein Spalt von wenigen Millimetern zwischen Beschichtungsquelle und Shutter bestehen. Üblicherweise wird als Shutter ein Blech vor die Beschichtungsquelle von der Seite geschwenkt, so dass kein Material von der Beschichtungsquelle ungewollt auf die zu beschichtenden Substrate gelangt. Ein unerwünschter Materialfluss, sogenannte Querkotaminationen, auf die Substrate und die Umgebung von der Beschichtungsquelle wird am effektivsten verhindert, wenn der Abstand des Bleches zur Beschichtungsquelle möglichst gering ist und so die Beschichtungsquelle von den Substraten optimal abgeschirmt wird. Insbesondere bei Anordnungen von mehreren Beschichtungsquellen innerhalb einer Beschichtungs- bzw. Prozesskammer kann es zu einer gegenseitigen Beschichtung der Beschichtungsquellen (Targets) durch Querkontamination kommen, wenn die Beschichtungsquellen nicht komplett abgeschlossen werden können. Dadurch ist es oftmals notwendig, die kontaminierten Targets vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang der Substrate durch Sputtern wieder abzutragen, auch Freisputtern genannt, um die Qualität der Beschichtungsmaterialien zu erhalten und zu gewährleisten. Dadurch sind sowohl die Beschichtungsqualität und die Materialausnutzung als auch die Produktivität der Beschichtungsanordnung erniedrigt. Bisher werden die eingesetzten Shutterbleche in einem Abstand von etwa 1 bis 4 mm vor die Beschichtungsquelle geschoben. Dieser Abstand kann eine komplette geschlossene Abschirmung der Beschichtungsquelle jedoch nicht gewährleisten. Der Abstand ist aber für das Einsputtern einer Beschichtungsquelle notwendig. Kleinere, d. h. geringere Abstände können in der praktischen Ausführung nicht realisiert werden, da diese üblicherweise zu Reibung zwischen Shutterblech und Beschichtungsquelle führen. Diese Reibeffekte verursachen viele unerwünschte Partikel, welche zu einer zusätzlichen Kontamination der beschichteten Substrate führen können, welche auch zu einer Ablösung der Schichten vom Substrat führen kann. Die Qualität der Schichten kann von diesen Effekten stark beeinträchtigt werden. Aus der WO 2021/091890 A1 ist ein Shutter-Mechanismus bekannt, bei dem ein Shutter über ein Kopplungssystem mit einem Aktor derart verbunden ist, dass der Shutter in einer zusammengesetzten Bewegung aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position über eine Beschichtungsquelle bewegt werden kann. Dabei führt der Aktor lediglich eine lineare Bewegung entlang einer Translationsachse aus, wobei über eine Nutkurve eine lineare Bewegung des Shutters in eine Kippbewegung und wieder in eine abschließende lineare Bewegung umgewandelt wird bis der Shutter die Sputterquelle umschließt. Der Shutter führt zunächst eine lineare Bewegung entlang der Translationsachse des Aktors aus, anschließend eine Drehbewegung, z. B. um 90°, zur Translationsachse des Aktors sowie final eine lineare Bewegung wieder entlang der Translationsachse des Aktors aus. Nachteilig ist, dass diese Bewegungen nicht getrennt und unabhängig voneinander gesteuert werden können, da diese zum einen durch die Nutkurve vorgeben sind und zum anderen eine Feinjustage des Shutters mittels des Aktors nur sehr begrenzt möglich ist. Insbesondere bei der Verwendung eines pneumatischen Aktors ist das Verharren des Shutters in einer Zwischenposition, z. B. für Ein- bzw. Vorsputterprozesse, also wenige Millimeter über der Sputterquelle, gemäß der in der WO 2021/091890 A1 beschrieben Lösung ohne zusätzliche technische Vorrichtungen nicht möglich und nur ungenau reproduzierbar. Durch den Umstand, dass bei der in der WO 2021/091890 A1 beschriebenen Lösung die Drehachse des Shutters nicht parallel zur Längsachse der Beschichtungsquelle liegt, kann es außerdem während des Auf- und Zuschwenkens des Shutters zu einer nachteiligen Krümmung des Gasplasmas kommen, da sich der Winkel zwischen Target- und Shutteroberfläche verändert. Hieraus kann zusätzlich eine unerwünschte Beschichtung der Kammerinnenseite oder der Beschichtungsquelle selbst resultieren. Ebenfalls nachteilig ist, dass der Aktor in der WO 2021/091890 A1 mit der Nutkurve innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist. Durch die mechanische Beanspruchung des Kopplungssystems und der damit verbundenen Reibung in der Nutkurve kann es zu einem Abrieb kommen, der in einem Beschichtungssystem mit hohen Reinheitsanforderungen unerwünscht ist. Auch ist die Wartung und / oder Reparatur der Shutter-Ansteuerung damit wesentlich aufwendiger, da diese nur bei Belüftung der Vakuumkammer erfolgen kann. Auch für die Verwendung von sauerstoffsensitiven Targetmaterialien in einer Beschichtungsquelle (Sputterquelle) ist die Verwendung konventioneller Shuttersysteme nicht möglich. Insbesondere für Reinigungs- bzw. Wartungsarbeiten ist es oft notwendig die Vakuum- oder Prozesskammern, in welchen sich die Beschichtungsquellen befinden, zu öffnen. Werden sauerstoffempfindliche Materialien, wie z. B. Lithium, verwendet, kann ein Kontakt mit Sauerstoff zu einer chemischen Reaktion mit dem Targetmaterial führen, welche das Targetmaterial unbrauchbar und besondere Sicherheitsmaßnahmen nötig macht. Der Spalt zwischen Shutterblech und Beschichtungsquelle begünstigt das Eindringen von Sauerstoff und sollte somit auch für Wartungszwecke vermieden werden. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, sowohl ein Verfahren als auch eine Anordnung anzugeben, mittels denen reaktive, insbesondere sauerstoffsensitive Targetmaterialien einer Beschichtungsquelle vor Kontaminationen geschützt werden können. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch 1 gelöst. In dem Verfahren zum Schutz einer Beschichtungsquelle, welche ein reaktives Beschichtungsmaterial umfasst, wobei die Beschichtungsquelle mit dem Beschichtungsmaterial durch einen Shutter von einer Prozesskammer abgeschirmt wird, verschließt zunächst der Shutter die Beschichtungsquelle abdichtend und ein Schutzgas wird über einen Gaseinlass in einen Beschichtungsquellenraum, der durch die Beschichtungsquelle und den Shutter gebildet wird, eingelassen und es wird ein Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum gegenüber einem Vakuumkammerdruck innerhalb der Prozesskammer als auch später bei der Belüftung der Prozesskammer gegenüber einem Atmosphärendruck außerhalb der Prozesskammer eingestellt. Anschließend wird in die Prozesskammer ein weiteres Gas zum Abreagieren, d. h. Neutralisieren von Beschichtungen in der Prozesskammer, in die Prozesskammer eingelassen. Die Schichten werden passiviert. Nun kann die Prozesskammer mit Luft oder Stickstoff belüftet werden, ohne dass eine ungewollte Reaktion stattfindet. Die Prozesskammer wird anschließend zur Atmosphäre hin geöffnet, d. h. die Tür der Prozesskammer zur Umgebung wird geöffnet, wobei stets ein Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum aufrechterhalten wird. Dieser permanente Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum verhindert, dass Gase, insbesondere Sauerstoff, zur Beschichtungsquelle, insbesondere zum reaktiven Targetmaterial, gelangen und mit diesem reagieren. Wichtig ist, dass der Shutter den Beschichtungsquellenraum verschließt und dementsprechend geschlossen ist, also über die Beschichtungsquelle geschwenkt ist. Außerdem sollte die Beschichtungsquelle ausgeschaltet sein. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das reaktive Beschichtungsmaterial ein sauerstoffsensitives Targetmaterial, beispielsweise Lithium, Magnesium, Calcium und / oder ein ähnlich stark reaktives Material wie die vorbenannten. Lithium ist sehr reaktiv und reagiert mit vielen Elementen und Verbindungen. Es muss daher besonders geschützt werden, um Querkontaminationen zu vermeiden. Dies wird durch den geschlossenen Shutter, der durch eine Dreh- und / oder Schwenk- und / oder Klapp-/Kippbewegung und einer zusätzlichen Hubbewegung in Richtung Beschichtungsquelle und durch den eingestellten Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum gewährleistet. In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als weitere Schutzmaßnahme als Schutzgas ein Inertgas, insbesondere Stickstoff oder Argon eingesetzt. Der stete Überdruck in dem durch den Shutter geschlossenen Beschichtungsquellenraum und dem eingelassenen Schutzgas hat den Vorteil, dass kein Sauerstoff oder Luft hinter den Shutter in den Beschichtungsquellenraum dringen kann. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als weiteres Gas zum Abreagieren bzw. Neutralisieren von Beschichtungen in der Prozesskammer Kohlendioxid in die Prozesskammer eingelassen. Damit werden weitere Reaktionen in der Prozesskammer unterbunden und Verunreinigungen der Beschichtungsquelle weiter minimiert. Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine erfindungsgemäße Sputteranlage gemäß dem unabhängigen Anordnungsanspruch 6 gelöst. Die Sputteranlage umfasst eine Prozesskammer und mindestens einen Beschichtungsquellenraum, welcher aus einer Beschichtungsquelle und einem Shutter gebildet ist und innerhalb der Prozesskammer angeordnet ist. Diese Sputteranlage bzw. Beschichtungsanlage ist für die Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 geeignet. Besonders vorteilhaft ist, dass der Shutter mittels einer Dreh- und / oder Schwenk- und / oder Klapp- /Kippbewegung über der Beschichtungsquelle positionierbar ist und der Shutter ausgebildet ist eine zusätzliche Relativbewegung zur Beschichtungsquelle auszuführen und / oder die Beschichtungsquelle ausgebildet ist eine zusätzliche Relativbewegung zum Shutter auszuführen, wobei der Shutter die Beschichtungsquelle abdichtend bedeckt und während eines Wartungsvorganges der Sputteranlage ein permanenter Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum ausbildbar ist. Die Relativbewegung ist vorteilhafterweise eine Hubbewegung. Dadurch wird verhindert, dass unerwünschte Partikel, Gasatome usw. auf das Target, d. h. in den Beschichtungsquellenraum gelangen. Die Konzeption erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn der Beschichtungsquellenraum ein Target aus einem sauerstoffsensitiven Material umfasst, beispielsweise Lithium, Magnesium und / oder Calcium. Erfindungsgemäß ist der Shutter mittels einer Dreh- und / oder Schwenk- und / oder Klapp-/Kippbewegung über der Beschichtungsquelle positionierbar und der Shutter ist ausgebildet eine zusätzliche Relativbewegung in Form einer Hubbewegung zur Beschichtungsquelle auszuführen und / oder die Beschichtungsquelle ist ausgebildet eine zusätzliche Relativbewegung in Form einer Hubbewegung zum Shutter auszuführen, wobei der Shutter die Beschichtungsquelle abdichtend bedeckt. Unter einer abdichtenden Bedeckung wird die vollständige Abschirmung der Beschichtungsquelle vom Rest der Prozesskammer verstanden, so dass sowohl jegliche Querkontaminationen auf die Beschichtungsquelle als auch unerwünschte Beschichtungen auf das zu beschichtende Substrat unterbunden werden. Sauerstoff kann somit nicht in den Beschichtungsquellenraum gelangen und das Targetmaterial verunreinigen und unerwünschte Reaktionen bewirken. Vorteilhaft ist, dass der Shutter der erfindungsgemäßen Sputteranlage nicht nur über die Beschichtungsquelle gemäß einem ersten Freiheitsgrad geschwenkt oder gedreht oder geklappt/gekippt wird, sondern der Shutter oder die Beschichtungsquelle gemäß einem zweiten Freiheitsgrad durch eine Relativbewegung zwischen Shutter und Beschichtungsquelle abdichtend zueinander bewegt werden. Entweder der Shutter führt eine Hubbewegung in Richtung Beschichtungsquelle aus oder die Beschichtungsquelle führt eine Hubbewegung in Richtung Shutter aus, so dass der Shutter und die Beschichtungsquelle abdichtend, also vollständig geschlossen, übereinander positioniert sind. Beide Bewegungen sind unabhängig voneinander ausführbar, so dass der Shutter in jeder erforderlichen und gewünschten Position positionierbar ist. Eine Ablenkung des Gasplasmas durch die Bewegungen des Shutters erfolgt nicht. Das Entstehen von Partikeln durch Reibung zwischen Shutterblech und Beschichtungsquelle, wie beim reinen Schwenken des Shutters über die Beschichtungsquelle entstehen dabei nicht. Bei geschlossenem Shutter existiert kein Spalt mehr, durch welchen eine Kontamination des Targetmaterials durch den Betrieb anderer Beschichtungsquellen in der gleichen Anordnung oder eindringenden Sauerstoff bei Wartungsarbeiten entstehen kann. Der Shutter kann beispielsweise durch eine Drehbewegung um eine Achse oder durch eine Schwenkbewegung durch seitliches Hereinfahren zur Beschichtungsquelle oder durch eine Klapp- /Kippbewegung über der Beschichtungsquelle positioniert werden. Erst danach erfolgt die Relativbewegung bzw. Hubbewegung zwischen Shutter und Beschichtungsquelle. Die Dreh-/ Schwenk-/Klapp-/Kipp- und / oder Hubbewegungen werden durch Shutterbewegungsmittel, wie Motoren oder Hubzylinder bewirkt. Die Steuerung des Shuttersystems befindet sich außerhalb der Vakuumkammer, so dass der Abrieb durch mechanische Komponenten innerhalb der Vakuumkammer auf ein Minimum reduziert sind. Durch die vorgeschlagene Lösung kann eine wesentlich kompaktere Anordnung verschiedener Beschichtungsquellen in einer Parallel- und/oder Co-Beschichtungsanordnung (z. B. Sputteranordnung) stattfinden, da eine Querkontamination der Beschichtungsquellen verhindert wird. Ein großer Überstand der Shutterbleche ist nicht mehr notwendig. In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Shutteranlage ist die Relativbewegung zwischen Shutter und Beschichtungsquelle mittels Bälgen oder Ringdichtungen und / oder Schiebedurchführungen ausgebildet. Damit wird die mechanische Abnutzung innerhalb der Vakuumkammer auf ein Minimum reduziert. Kontaminationen durch Abrieb oder mechanische Reibung treten nicht auf. Die Relativbewegung zwischen Shutter und Beschichtungsquelle erfolgt mittels einer Hubbewegung, die entweder durch den Shutter oder durch die Beschichtungsquelle erfolgt. Die baulich einfachere Umsetzung besteht in einer Bewegung des Shutters bei gleichzeitig feststehender Beschichtungsquelle. In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sputteranlage ist ein Abstand zwischen Beschichtungsquelle und Shutter einstellbar ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass insbesondere bei Wartungsarbeiten in der Prozesskammer, der Abstand zwischen Shutter und Beschichtungsquelle auf null eingestellt werden kann, so dass eine Kontamination des Targets verhindert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Prozessbeginn zum Zünden des Plasmas beim Sputtervorgang der notwendige Spalt zwischen Beschichtungsquelle und Shutter eingestellt werden kann und im eigentlichen Beschichtungsprozess, vor allem mit mehreren Beschichtungsquellen, die jeweilige Beschichtungsquelle, die gerade nicht gebraucht wird, optimal abdichtend abgeschirmt werden kann. Die Ansteuerung des erfindungsgemäßen Shuttersystems erlaubt es, den Shutter in jeder erforderlichen und gewünschten Position zu halten. Dies wird durch die getrennt steuerbaren und unabhängig voneinander ausführbaren Bewegungen des Shuttersystems möglich. Die Abschirmung wird noch weiter optimiert, wenn in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Shutteranlage der Shutter einen gekröpften Rand aufweist. Durch den gekröpften Rand wirkt der Shutter wie eine Art Haube über der Beschichtungsquelle, so dass Querkontaminationen vollständig unterbunden werden können. Des Weiteren weisen der Shutter und die Beschichtungsquelle eine runde oder ovale oder rechteckige oder vieleckige Form auf. Damit kann der Shutter an die Form der abzudeckenden Beschichtungsquelle angepasst werden, um diese optimal abzudichten. Durch die unabhängig voneinander ausführbaren Bewegungsabläufe (Dreh- und / oder Schwenk- und / oder Klapp- bzw. Kippbewegung sowie die zusätzliche Relativbewegung) des Shutters kann das Shuttersystem der Sputteranlage ebenfalls an jedwede Beschichtungsquelle in einfachster Weise angepasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz einer Beschichtungsquelle, insbesondere eines reaktiven, sauerstoffsensitiven Targetmaterials, in einer Sputteranlage und die erfindungsgemäße Sputteranlage zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann für jedwede Beschichtungsquelle mit einem gerichteten Teilchenstrom eingesetzt werden. Eine effektive Unterbindung von Querkontaminationen der Beschichtungsquelle und die Verhinderung von Reaktionen mit einem reaktiven Targetmaterial ist damit einfach und kompakt möglich. Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1 Erfindungsgemäße Sputteranlage mit einer Beschichtungsquelle (ein Sputtertarget) in einem Beschichtungsquellenraum, die mit einem Shutter mit gekröpftem Rand verschließbar ist; Fig. 2 Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte a) bis i). Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Sputteranlage 1, wobei diese eine Prozesskammer 2 umfasst, in der mindestens ein Beschichtungsquellenraum 3 angeordnet ist, der aus einer Beschichtungsquelle 4 und einem Shutter 5 gebildet wird. Die Prozesskammer 2 weist weiterhin ein Einlassventil 6 für ein abreagierendes Gas, ein Belüftungsventil 7 für die Prozesskammer 2, eine Vakuumpumpe 8 sowie eine Glove-Box 9 für die Durchführung von Wartungsarbeiten oder eines Substrat- und / oder Target 11 -wechsels auf, ohne das Vakuum in der Prozesskammer 2 unterbrechen zu müssen. Der Beschichtungsquellenraum 3 weist zusätzlich einen Einlass 10 für ein Schutzgas, z. B. Stickstoff und / oder Argon auf. Das Schutzgas, welches in den Beschichtungsquellenraum 3 mit einem Überdruck gegenüber einem Vakuumkammerdruck innerhalb der Prozesskammer 2 und später beim Belüften der Prozesskammer 2 einem Atmosphärendruck außerhalb der Prozesskammer 2 beaufschlagt wird, verhindert, dass Sauerstoff durch einen Restspalt in den Beschichtungsquellenraum 3 eindringen kann. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sputteranlage. In einem normalen Beschichtungsprozess befindet sich in der Prozess- oder Vakuumkammer 2 das zu beschichtende Substrat 13 gegenüber der Beschichtungsquelle 4. Während des Beschichtungsprozesses ist der Beschichtungsquellenraum 3 geöffnet, d. h. der Shutter 5 ist zur Seite geschwenkt/gedreht/geklappt, so dass Material vom Target 11 abgetragen / gesputtert wird und sich auf der Substratoberfläche 13 anlagert. Ist der Beschichtungsprozess beendet, wird der Shutter 5 wieder vor die Beschichtungsquelle 4 bewegt, derart, dass kein Spalt zwischen Shutter 5 und Beschichtungsquelle 4 bestehen bleibt. Dies wird mechanisch durch die zusätzliche Relativbewegung zwischen Shutter 5 und Beschichtungsquelle 4 gewährleistet. Die Steuerung des Shuttersystems 5 befindet sich außerhalb der Vakuumkammer 2, so dass der Abrieb durch mechanische Komponenten innerhalb der Vakuumkammer 2 auf ein Minimum reduziert sind. Die Beschichtungsquelle 4 wird nun ausgeschaltet. Anschließend wird ein Schutzgas, z. B. Stickstoff oder Argon in den Beschichtungsquellenraum 3 über einen Gaseinlass 10 eingeleitet. Danach wird die Prozesskammer 2 mit einem Abreagiergas, z. B. CO2, geflutet, so dass Komponenten in der Vakuumkammer 2 abreagieren können und die Prozesskammer 2 innen neutralisiert wird. In dem Beschichtungsquellenraum 3 wird gleichzeitig ein Überdruck erzeugt, um ein Eindringen von Partikeln und Gasen, z. B. Sauerstoff, effektiv zu unterbinden. In einem nächsten Schritt wird das Gas aus der Prozesskammer 2 abgepumpt und der Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum 3 weiter aufrechterhalten. Über ein Belüftungsventil 7 wird in einem weiteren Verfahrensschritt Stickstoff oder ein anderes Belüftungsgas in die Prozesskammer 2 geleitet und ein geringer Überdruck gegenüber einem Atmosphärendruck außerhalb der Prozesskammer 2 in dem Beschichtungsquellenraum 3 weiter aufrechterhalten. Anschließend kann die Prozesskammer 2 geöffnet und notwendige Wartungsarbeiten usw. durchgeführt werden, wobei durch den steten geringen Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum 3 eine Kontamination der reaktiven, insbesondere sauerstoffsensitiven Targetmaterialien 11 vollständig verhindert wird.
Verfahren und Vorrichtung zum Schutz sauerstoffsensitiver Targetmaterialien in einer Beschichtungsquelle Bezugszeichenliste 1 Sputteranlage 2 Prozess- / Vakuumkammer 3 Beschichtungsquellenraum 4 Beschichtungsquelle 5 Shutter 6 Einlassventil für Gas zum Abreaktionsprozess 7 Belüftungsventil 8 Vakuumpumpe 9 Glove Box 10 Schutzgaseinlass 11 Target 12 Prozesskammertür 13 Zu beschichtendes Substrat 14 Shutterbewegungsmittel

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Schutz sauerstoffsensitiver Targetmaterialien in einer Beschichtungsquelle Patentansprüche 1. Verfahren zum Schutz einer Beschichtungsquelle (4), welche ein reaktives Beschichtungsmaterial (11) umfasst, wobei die Beschichtungsquelle (4) mit dem Beschichtungsmaterial (11) durch einen Shutter (5) von einer Prozesskammer (2) abgeschirmt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - der Shutter (5) die Beschichtungsquelle (4) abdichtend verschließt und ein Schutzgas über einen Gaseinlass (10) in einen Beschichtungsquellenraum (3), der durch die Beschichtungsquelle (4) und den Shutter (5) gebildet wird, eingelassen wird und ein Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum (3) gegenüber einem Vakuumkammerdruck innerhalb der Prozesskammer (2) und später einem Atmosphärendruck außerhalb der Prozesskammer (2) eingestellt wird, - in die Prozesskammer (2) ein weiteres Gas zum Abreagieren von Beschichtungen in der Prozesskammer (2) in die Prozesskammer (2) eingelassen wird, - das weitere Gas aus der Prozesskammer (2) abgepumpt wird, - die Prozesskammer (2) belüftet wird (7), wobei Stickstoff oder ein anderes Gas eingeleitet wird, - die Prozesskammer (2) zur Atmosphäre hin geöffnet wird, wobei - stets ein Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum (3) aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das reaktive Beschichtungsmaterial (11) ein sauerstoffsensitives Targetmaterial ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Targetmaterial (11) aus Lithium, Magnesium, Calcium und / oder einem ähnlich stark reaktiven Material gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Schutzgas ein Inertgas, insbesondere Stickstoff oder Argon ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als weiteres Gas zum Abreagieren insbesondere Kohlendioxid eingelassen wird.
6. Sputteranlage (1) umfassend eine Prozesskammer (2) und mindestens einen Beschichtungsquellenraum (3), welcher aus einer Beschichtungsquelle (4) und einem Shutter (5) gebildet ist und innerhalb der Prozesskammer (2) angeordnet ist und für die Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 ausgebildet und geeignet ist, wobei der Shutter (5) mittels einer Dreh- und / oder Schwenk- und / oder Klapp-/Kippbewegung über der Beschichtungsquelle (4) positionierbar ist und der Shutter (5) ausgebildet ist eine zusätzliche Relativbewegung zur Beschichtungsquelle (4) auszuführen und / oder die Beschichtungsquelle (4) ausgebildet ist eine zusätzliche Relativbewegung zum Shutter (5) auszuführen, wobei der Shutter (5) die Beschichtungsquelle (4) abdichtend bedeckt und während eines Wartungsvorganges der Sputteranlage (1) ein permanenter Überdruck in dem Beschichtungsquellenraum (3) ausbildbar ist.
7. Sputteranlage (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Relativbewegung zwischen Shutter (5) und Beschichtungsquelle (4) mittels Bälgen oder Ringdichtungen und / oder Schiebedurchführungen ausgebildet ist.
8. Sputteranlage nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Abstand zwischen Beschichtungsquelle (4) und Shutter (5) einstellbar ausgebildet ist.
9. Sputteranlage nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Shutter (5) einen gekröpften Rand aufweist.
10. Sputteranlage nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Shutter (5) und die Beschichtungsquelle (4) eine runde oder ovale oder rechteckige oder vieleckige Form aufweisen.
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