Einrichtung zum Beschichten eines stationär angeordneten Substrats durch Puls- Magnetron-Sput ernDevice for coating a stationary substrate by pulse magnetron sputtering
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Puls-Magnetron-Sputtem, vorzugsweise für die Abscheidung von Vielschichtsystemen, sogenannten Multilayeranordnungen, in Dünnschichttechnik auf ortsfesten Substraten. Die Anordnung ist besonders für die Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in der Dünnschichttechnik mit mehreren frei wählbaren Beschichtungsparametern geeignet.The invention relates to an arrangement for pulse magnetron sputtering, preferably for the deposition of multilayer systems, so-called multilayer arrangements, in thin-film technology on stationary substrates. The arrangement is particularly suitable for carrying out research and development work in thin-film technology with several freely selectable coating parameters.
Das Magnetron-Sputtern, häufig auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet, hat unter den physikalischen Vakuumbeschichtungsverfahren (PVD) die weiteste Verbreitung gefunden. Seit der Einführung des Puls-Magnetron-Sputtems, bei dem die Energieeinspeisung in die Magnetronentladung gepulst mit einer Frequenz von ca. 10 kHz bis 350 kHz in Form von Gleichstrompulsen, sinusförmigem Wechselstrom oder Bipolarpulsen erfolgt, wurde die Anwendungsbreite weiter erhöht und auch auf die Abscheidung elektrisch isolierender chemischer Verbindungen mit hoher Abscheiderate ausgedehnt. Dazu ist eine reaktive Prozessführung mit aktiver Regelung des Reaktivgasflusses bzw. des Reaktivgasdruckes erforderlich. Das Puls-Magnetron-Sputtern bietet auch die Möglichkeit, durch Festlegung geeigneter Pulsparameter, wie Frequenz, Pulsform und Tastverhältnis, zusätzlich zu den an sich schon bekannten Beschichtungsparametern die Struktur und die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten im gewünschten Sinn zu beeinflussen. Unter Tastverhältnis wird dabei der Quotient aus Puls-ein-Zeit und der gesamten Pulslänge einschließlich Pulspause verstanden. Die Vielzahl der variierbaren Herstellungsparameter und eine vergleichsweise komplizierte Prozessregelung erfordern häufig, dass im Vorfeld der Nutzung des Puls- Magnetron-Sputtems Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Optimierung des Abscheidungsprozesses durchgeführt werden.Magnetron sputtering, often referred to as cathode sputtering, has found widespread use among physical vacuum coating processes (PVD). Since the introduction of the pulse magnetron sputter, in which the energy is fed into the magnetron discharge at a frequency of approx. 10 kHz to 350 kHz in the form of direct current pulses, sinusoidal alternating current or bipolar pulses, the range of applications has been further increased and also for separation electrically insulating chemical compounds with a high deposition rate. This requires reactive process control with active control of the reactive gas flow or the reactive gas pressure. Pulse magnetron sputtering also offers the possibility of influencing the structure and properties of the deposited layers in the desired manner by defining suitable pulse parameters such as frequency, pulse shape and duty cycle, in addition to the coating parameters which are known per se. The duty cycle is understood to be the quotient of the pulse on time and the entire pulse length including the pulse pause. The large number of variable manufacturing parameters and a comparatively complicated process control often require that research and development work be carried out to optimize the deposition process before using the pulse magnetron sputter.
Es sind Vakuumbeschichtungsanlagen sehr unterschiedlicher Bauart bekannt, in denen solche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgreich durchgeführt werden können. Standard-Komponenten, wie Magnetron-Sputterquellen in meist runder Bauart, Substrathalterungen und Puls- Stromversorgungseinheiten, Komponenten für das Vorbehandeln und Heizen eines oder mehrerer Substrate und Messeinrichtungen werden dabei in meist geometrisch einfach geformten Rezipienten mit Vakuumerzeugungs- und Anlagensteuereinheiten angeordnet, um geringe Kosten für solche Forschungsanlagen zu erreichen. Für die Abscheidung von Schichtsystemen, die aus mehreren Schichten bestehen oder die
durch gleichzeitiges Sputtem mit mehreren Magnetronquellen, sogenanntem „Co- Sputtern", hergestellt werden, wurden häufig Anordnungen aus einem stationären Substrat und mehreren Magnetronquellen mit kreisrunden ebenen oder profilierten Targets verwendet, bei denen die Targetflächen der Magnetronquellen im Wesentlichen auf die Substratmitte ausgerichtet sind. Es sind auch Anordnungen mit einem Drehteller verbreitet, durch den das Substrat oder die Substrate einmal oder mehrmals nacheinander senkrecht über jede der Magnetronquellen geführt werden können. Insbesondere diese beiden verbreiteten Anordnungen sind mit einer oft unzureichenden Variationsbreite der Beschichtungsparameter verknüpft. Die Anordnung mit Drehteller erfordert darüber hinaus einen vergleichsweise großen Rezipienten und ist entsprechend kostspielig.Vacuum coating systems of very different types are known in which such research and development work can be carried out successfully. Standard components, such as magnetron sputter sources of mostly round design, substrate holders and pulse power supply units, components for the pretreatment and heating of one or more substrates and measuring devices are arranged in mostly geometrically simple-shaped recipients with vacuum generation and system control units, at low cost for to achieve such research facilities. For the deposition of layer systems that consist of several layers or that By simultaneously sputtering with several magnetron sources, so-called “co-sputtering”, arrangements of a stationary substrate and several magnetron sources with circular, flat or profiled targets were frequently used, in which the target surfaces of the magnetron sources are essentially aligned with the center of the substrate Arrangements with a turntable are also widespread, through which the substrate or substrates can be guided one or more times in succession vertically over each of the magnetron sources. In particular, these two widespread arrangements are linked with an often insufficient range of variation of the coating parameters a comparatively large recipient and is accordingly expensive.
Eine größere Zahl anderer spezieller Anordnungen der Komponenten für das Magnetron- Sputtern in einer Forschungsanlage kann der wissenschaftlichen Literatur (z. B. Thin Solid Films", „Surface Coating Technologies", „Vakuum in der Praxis") entnommen werden, ohne dass jedoch die wünschenswerte Wahlfreiheit der Beschichtungsparameter und das Streben nach möglichst geringen Investitionskosten in ausreichendem Maße vereinigt worden wäre. Als Konsequenz ergibt sich häufig ein Mangel an technologischer Flexibilität der Magnetron-Sputteranlage oder eine nicht ausreichende Hochskalierbarkeit des mit der Forschungs- und Entwicklungsanlage optimierten Verfahrens bei der Überführung in die industrielle Beschichtungspraxis. Insbesondere für die Entwicklung von Beschichtungs- verfahren auf der Basis des Puls-Magnetron-Sputterns treten solche Defizite häufig zutage und erschweren oder verhindern den Erfolg der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.A larger number of other special arrangements of the components for magnetron sputtering in a research facility can be found in the scientific literature (for example Thin Solid Films "," Surface Coating Technologies "," Vacuum in Practice "), but without the the desired freedom of choice of the coating parameters and the pursuit of the lowest possible investment costs would have been sufficiently combined. As a consequence, there is often a lack of technological flexibility of the magnetron sputtering system or an insufficient scalability of the process optimized with the research and development system during the transfer to Industrial coating practice In particular for the development of coating processes based on pulse magnetron sputtering, such deficits often come to light and complicate or prevent the success of research and development work.
Es wird deshalb zur Aufgabe gestellt, eine Anordnung zum Puls-Magnetron-Sputtem zu schaffen, die bei geringem technischen Aufwand eine hohe Flexibilität der Beschichtung ortsfester Substrate durch Puls-Magnetron-Sputtern bei großer Wahlfreiheit der Pulsparameter und der Schichteigenschaften erlaubt. Es soll gleichermaßen das Abscheiden von Einzelschichten wie auch von Multilayer-, Gradienten- und Mischschichten möglich sein.It is therefore an object of the invention to provide an arrangement for pulse magnetron sputtering which, with little technical effort, permits high flexibility in the coating of stationary substrates by pulse magnetron sputtering with a large freedom of choice of the pulse parameters and the layer properties. The deposition of individual layers as well as of multilayer, gradient and mixed layers should also be possible.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Puls-Magnetron-Sputtern mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 beschreiben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung.The object is achieved by an arrangement for pulse magnetron sputtering with the features according to claim 1. Claims 2 to 5 describe further advantageous refinements of the device according to the invention.
Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst mindestens einen Rezipienten mit Vakuum- erzeugungssystem, mindestens zwei Magnetron-Sputterquellen mit runden oder recht-
eckigen Targets, Magnetanordnung, Gaseinlass-und Gasregelsystem, mindestens einen Substrathalter zur Aufnahme eines oder mehrerer Substrate während der Beschichtung, mindestens eine Stromversorgungseinrichtung mit Kontroll- bzw. Regelsystemen und eine Steuereinrichtung. Erfindungsgemäß hat der Rezipient in einer Schnittebene einen fünfeckigen Querschnitt, der zumindest einen rechten Winkel umfasst. Besonders zweckmäßig ist es, wenn er parallel zu dieser Ebene von einer ebenen Boden- bzw. Deckelplatte begrenzt wird, auf denen die Seitenwände senkrecht stehen. In diesem Fall entspricht die äußere Gestalt des Rezipientenkörpers einem fünfseitigen Prisma. Vorteilhaft ist es, wenn die fünf Seitenwände in Bezug aufeinander so angeordnet sind, dass sich zumindest zwei Seitenwände parallel gegenüber stehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die fünf Seitenwände so angeordnet sind, dass sie drei rechte Winkel und zwei stumpfe Winkel einschließen. An zwei rechtwinklig zueinander stehenden Seitenwänden ist je eine Magnetron-Sputter- quelle angebracht. Die Magnetron-Sputter-Quellen besitzen zusätzlich neben dem recht- eckigen oder kreisrunden Target mit Kühleinrichtung, der Magnetanordnung, einem Gas- einlass- und Gasregelsystem jeweils eine separate Anode. Die drei übrigen Seitenwände, von denen zumindest eine parallel zu einer Wand verläuft, die ein Magnetron trägt, besitzen je eine Flanschöffnung, die für die Montage eines Substrathalters geeignet ist. Zumindest die Öffnung in der parallel zu einer Wand mit Magnetron angeordneten Wand ist mit Flanschen abgedichtet, die Mittel zur wahlfreien Positionierung des Substrathalters im Verhältnis zur Mitte der gegenüberliegenden Magnetron-Sputterquelle aufweisen.The device according to the invention comprises at least one recipient with a vacuum generation system, at least two magnetron sputter sources with round or right angular targets, magnet arrangement, gas inlet and gas control system, at least one substrate holder for receiving one or more substrates during the coating, at least one power supply device with control or regulating systems and a control device. According to the invention, the recipient has a pentagonal cross section in a sectional plane, which comprises at least a right angle. It is particularly expedient if it is delimited parallel to this plane by a flat base or cover plate on which the side walls are perpendicular. In this case, the outer shape of the recipient body corresponds to a five-sided prism. It is advantageous if the five side walls are arranged with respect to one another in such a way that at least two side walls face each other in parallel. It is particularly advantageous if the five side walls are arranged such that they enclose three right angles and two obtuse angles. A magnetron sputtering source is attached to each of two side walls at right angles to each other. In addition to the rectangular or circular target with cooling device, the magnet arrangement, a gas inlet and gas control system, the magnetron sputter sources each have a separate anode. The three remaining side walls, at least one of which runs parallel to a wall that carries a magnetron, each have a flange opening that is suitable for mounting a substrate holder. At least the opening in the wall arranged parallel to a wall with magnetron is sealed with flanges which have means for the optional positioning of the substrate holder in relation to the center of the opposite magnetron sputter source.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, auf den beiden großen senkrecht zueinander stehenden Seitenwänden je eine Magnetronquelle anzuordnen. Die Magnetron-Sputter-Quellen besitzen zusätzlich neben dem rechteckigen oder kreisrunden Target mit Kühleinrichtung, der Magnetanordnung, einem Gaseinlass- und Gasregelsystem jeweils eine separate Anode, die weitgehend gegen eine Beschichtung geschützt ist. Die drei übrigen Seitenwände besitzen je eine Flanschöffnung, die für die Montage des Substrathalters geeignet sind. Diese Flanschöffnungen und die Mitten der Magnetron- Sputterquellen liegen in einer Ebene, die einen fünfeckigen Querschnitt durch den Rezipienten bildet.An advantageous embodiment of the invention consists of arranging a magnetron source on each of the two large side walls which are perpendicular to one another. In addition to the rectangular or circular target with cooling device, the magnet arrangement, a gas inlet and gas control system, the magnetron sputter sources each have a separate anode, which is largely protected against a coating. The three remaining side walls each have a flange opening that is suitable for mounting the substrate holder. These flange openings and the centers of the magnetron sputter sources lie in a plane which forms a pentagonal cross section through the recipient.
Zumindest die Flanschöffnungen gegenüber den Magnetronquellen sind mit Vakuumflanschen gedichtet, die Mittel zur wahlfreien Positionierung des Saubstrathalters im Verhältnis zu den Mitten der Magnetron-Sputterquellen aufweisen. Dazu sind zwei über- einander angeordnete und gegeneinander verdrehbare Exzenterflansche angeordnet. Die
Exzenterflansche besitzen rotationssymmetrische Öffnungen, deren Mitte gegen die Flanschmitte versetzt ist. Damit lässt sich die Position des Substrathalters in der Ebene der Mitten der Magnetron-Sputterquellen derart einstellen, dass die Mitte des Substrathalters gegenüber der Mitte der gegenüberliegenden Magnetron-Sputterquellen versetzt ist oder ihr direkt gegenüber positioniert ist. Der Substrathalter ist mit Mitteln zur Einstellung des Target-Substrat-Abstandes ausgestattet. Sie sind so gestaltet, dass eine wahlfreie Positionierung der Substratmitte in einem variablen Abstand, z. B. im Bereich von 50 mm bis 250 mm, zu den Mitten der Targetoberflächen der Magnetron-Sputterquellen erreichbar ist.At least the flange openings opposite the magnetron sources are sealed with vacuum flanges which have means for the optional positioning of the substrate holder in relation to the centers of the magnetron sputter sources. For this purpose, two eccentric flanges arranged one above the other and rotatable relative to one another are arranged. The Eccentric flanges have rotationally symmetrical openings, the center of which is offset from the center of the flange. The position of the substrate holder in the plane of the centers of the magnetron sputter sources can thus be adjusted such that the center of the substrate holder is offset from the center of the opposite magnetron sputter sources or is positioned directly opposite it. The substrate holder is equipped with means for setting the target-substrate distance. They are designed so that an optional positioning of the substrate center at a variable distance, for. B. in the range of 50 mm to 250 mm, to the centers of the target surfaces of the magnetron sputter sources.
Erfindungsgemäß erlaubt die Stromversorgungseinrichtung für die Magnetron-Sputterquellen die getrennte Einspeisung von Energie mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz mit jeweils einzeln einstellbarer Stromstärke, Leistung oder Spannung und einzeln einstellbarem Verhältnis der Puls-ein-Zeit zur Puls-aus-Zeit. Als jeweilige Gegenelektrode ist dabei die jeweils zugeordnete „versteckte Anode" geschaltet. Die Stromversorgungseinheit ist weiterhin so ausgestaltet, dass alternativ die Einspeisung von bipolaren Leistungspulsen mit einer Frequenz von 1 kHz bis 100 kHz und mit für jede Polarität getrennt einstellbarer Leistung und getrennt einstellbarem Verhältnis von Puls-ein-Zeit zu Puls-aus-Zeit ermöglicht wird. Dabei ist jedes der Magnetron-Targets mit einem Pol der Stromversorgungs- einrichtung derart verbunden, dass die Targets wechselweise als Katode und Anode der Magnetron-Entladung geschaltet sind. Erfindungsgemäß besitzt die Einrichtung zum Puls- Magnetronsputtern weiterhin Mittel, um jederzeit zwischen der Einspeisung unipolarer Leistungspulse und bipolarer Leistungspulse in die Magnetron-Sputterquelle umzuschalten. Durch die Wahlfreiheit des Modus der Leistungspulse und des Verhältnisses von Puls-ein- Zeit und Puls-aus-Zeit ist die Einstellung der Intensität des Bombardements der aufwachsenden Schicht auf dem Substrat durch geladene bzw. hochenergetische Spezies aus dem Plasma in weiten Parametergrenzen möglich. Damit können die Struktur und die physikalischen Eigenschaften der Schicht und, davon abhängig, zahlreiche applikative Schichteigenschaften im angestrebten Sinn beeinflusst und optimiert werden. Die erfindungsgemäße Wahl der Beschichtungsgeometrie und die Wahlfreiheit derAccording to the invention, the power supply device for the magnetron sputter sources allows energy to be fed in separately at a frequency in the range from 1 kHz to 100 kHz, each with individually adjustable current strength, power or voltage and individually adjustable ratio of pulse on time to pulse off time , The associated “hidden anode” is connected as the respective counter electrode. The power supply unit is further configured such that alternatively the feeding of bipolar power pulses with a frequency of 1 kHz to 100 kHz and with power that can be set separately for each polarity and separately adjustable ratio of Each of the magnetron targets is connected to one pole of the power supply device in such a way that the targets are alternately connected as cathode and anode of the magnetron discharge for pulse magnetron sputtering means to switch between the feeding of unipolar power pulses and bipolar power pulses into the magnetron sputtering source at any time The freedom of choice of the mode of the power pulses and the ratio of pulse on time and pulse off time means that the setting is the Bombardment intensity d he growing layer on the substrate possible by charged or high-energy species from the plasma within wide parameter limits. In this way, the structure and the physical properties of the layer and, depending on it, numerous applicative layer properties can be influenced and optimized in the desired sense. The inventive choice of the coating geometry and the freedom of choice
Substratposition in Bezug auf Abstand und Winkellage relativ zu den Magnetron-Sputterquellen begründet die große Einsatzbreite der Sputtereinrichtung für die Abscheidung von Schichten und Schichtsystemen unter den unterschiedlichsten Bedingungen. Durch Veränderung der Exzenterparameter der Substratposition relativ zu einer Magnetron-Sputter- quelle lassen sich z. B. wichtige Parameter der Plasmaaktivierung des Kondensations-
Prozesses variieren und damit sehr rationell ein Optimum für die jeweilige Beschichtungs- aufgabe einstellen bzw. ermitteln.The substrate position in relation to the distance and angular position relative to the magnetron sputter sources is the reason for the wide range of uses of the sputtering device for the deposition of layers and layer systems under the most varied of conditions. By changing the eccentric parameters of the substrate position relative to a magnetron sputter source, z. B. Important parameters of plasma activation of the condensation Process vary and thus very rationally set or determine an optimum for the respective coating task.
Die Variabilität bezieht sich auf die Schichtmaterialien, die Aufwachsrate, die Einfallsrichtung der schichtbildenden Partikel, den Grad der Aktivierung des Abscheideprozesses durch das Plasma und viele andere Parameter. Die Abscheidebedingungen sind in Abhängigkeit von der Zeit steuerbar, und dadurch lassen sich vorgegebene Gradienten der Schichteigenschaften einstellen. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit des Co-Sputtems, um neue Materialkombinationen aus verschiedenen Ausgangsmaterialien streng kontrollierbar mit rein elektrischen Einstellparametern herzustellen. Die Anordnung ist weiterhin hervorragend für die Abscheidung von Vielschichtsystemen (Multilayer) geeignet.The variability relates to the layer materials, the growth rate, the direction of incidence of the layer-forming particles, the degree of activation of the deposition process by the plasma and many other parameters. The deposition conditions can be controlled as a function of time, and predetermined gradients of the layer properties can thereby be set. The possibility of co-sputtering is particularly advantageous in order to produce new material combinations from different starting materials in a strictly controllable manner using purely electrical setting parameters. The arrangement is also outstandingly suitable for the deposition of multilayer systems (multilayer).
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder Magnetron-Sputterquelle eine Verschlussblende zugeordnet, die sich vorzugsweise in einer Ebene parallel zur jeweiligen Oberfläche und in Längsrichtung des Rezipienten bewegen lässt. Damit lässt sich ein Vielschichtsystem mit sprungartig veränderten Schichteigenschaften am Interface zwischen den Einzel- schichten bei hoher Homogenität der Schichteigenschaften in jeder Einzelschicht erreichen. Von Vorteil ist es, die erfindungsgemäße Einrichtung im Bereich der Magnetrons mit den mechanischen Schnellschlussblenden auszustatten, die elektropneumatisch angetrieben sind. Insbesondere für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben hat die erfindungsgemäße Ein- richtung vorteilhafterweise mindestens einen weiteren Vakuumflansch zur Montage von Mitteln zur in-situ-Messung eines Plasmaparameters wie z. B. Plasmapotential und/oder optische Emission oder einer Schichteigenschaft und/oder für die Implementierung plasmadiagnostischer Messmittel, wie z. B. zur energiedispersiven Massenspektrometrie. Ein weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, eine Öffnung in einer Seitenwand, die zur Aufnahme der Substrathalterung vorbereitet ist, jedoch nicht für die jeweilige Beschich- tungsaufgabe benötigt wird, zur Montage eines energiedispersen Massenspektrometers, mit dem zur Unterstützung der Prozessoptimierung die Auswirkung unterschiedlich eingestellter Parameter der Energieeinspeisung auf Art, Dichte und Energieverteilung der Plasmaspezies gemessen werden kann, zu nutzen.In an advantageous embodiment, each magnetron sputter source is assigned a shutter, which can preferably be moved in a plane parallel to the respective surface and in the longitudinal direction of the recipient. This enables a multilayer system with abruptly changed layer properties at the interface between the individual layers to be achieved with high homogeneity of the layer properties in each individual layer. It is advantageous to equip the device according to the invention in the area of the magnetrons with the mechanical quick-closing diaphragms which are driven electro-pneumatically. In particular for research and development tasks, the device according to the invention advantageously has at least one further vacuum flange for mounting means for in-situ measurement of a plasma parameter, such as, for example, B. plasma potential and / or optical emission or a layer property and / or for the implementation of plasma diagnostic measuring means, such as. B. for energy dispersive mass spectrometry. A further advantageous embodiment consists of an opening in a side wall, which is prepared for receiving the substrate holder, but is not required for the respective coating task, for mounting an energy-dispersive mass spectrometer, with which the effect of differently set parameters to support the process optimization Energy feed can be measured based on the type, density and energy distribution of the plasma species.
Im Interesse hoher Homogenität der Schichteigenschaften auf dem Substrat ist eine vorteilhafte erfindungsgemäße Einrichtung mit Mitteln zur Rotation des Substrates um eine Achse parallel zu seiner Normalen ausgestattet. Als äquivalente und vorteilhafte Lösung im Sinne der Erfindung ist auch eine Einrichtung anzusehen, die nicht nur für die Beschichtung eines einzigen Substrates je Beschichtungs-
zyklus vorgesehen ist, sondern statt dessen mit einer Substratschleuse und Wechseleinrichtungen für Substrate ausgestattet ist und so die Beschichtung vieler Substrate nacheinander erlaubt.In the interest of high homogeneity of the layer properties on the substrate, an advantageous device according to the invention is equipped with means for rotating the substrate about an axis parallel to its normal. An equivalent and advantageous solution in the sense of the invention is also to be regarded as a device which is not only for the coating of a single substrate per coating cycle is provided, but instead is equipped with a substrate lock and changing devices for substrates and thus allows the coating of many substrates in succession.
An einem Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Einrichtung näher erläutert.The device according to the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.
In den zugehörigen Zeichnungen stellenPlace in the accompanying drawings
Fig. 1 den Querschnitt durch den Rezipienten in einer Ebene, die die Mitten derFig. 1 shows the cross section through the recipient in a plane that the middle of the
Magnetron-Sputterquellen beinhaltet, und Fig. 2a und 2b Blockschaltbilder und Pulsmuster für die Energieeinspeisung in dieIncludes magnetron sputter sources, and Fig. 2a and 2b block diagrams and pulse patterns for the energy feed into the
Magnetron-Sputerquellen in Form von unipolaren bzw. bipolarenMagnetron sputtering sources in the form of unipolar or bipolar
Leistungspulsen dar.Power pulses.
Fig. 1 : Ein Rezipient 1 einer erfindungsgemäßen Einrichtung wird von Seitenwänden 2, 3, 4, 5, 6 sowie von einer Boden- und einer Deckelplatte (parallel zur Zeichenebene, hier nicht dargestellt) begrenzt und hat den Querschnitt eines symmetrischen Fünfecks mit nur einer Symmetrieachse. Die Seitenwände 2 und 3 bilden untereinander und mit beiden benachbarten Seitenwänden und die Seitenwände 4, 5 bilden mit je einer benachbarten Seitenwand einen rechten Winkel. Die fünf Seitenwände sind also so angeordnet, dass sie drei rechte Winkel und zwei stumpfe Winkel einschließen.Fig. 1: A recipient 1 of a device according to the invention is delimited by side walls 2, 3, 4, 5, 6 and by a base and a cover plate (parallel to the plane of the drawing, not shown here) and has the cross section of a symmetrical pentagon with only one axis of symmetry. The side walls 2 and 3 form one another and with both adjacent side walls and the side walls 4, 5 form a right angle with one adjacent side wall each. The five side walls are so arranged that they enclose three right angles and two obtuse angles.
Die Seitenwände 4 und 5 bilden mit je einer benachbarten Seitenwand einen stumpfen Winkel von 135°. Die Seitenwand 6 bildet mit beiden benachbarten Seitenwänden einen stumpfen Winkel von 135°. Der Rezipient wird von einem Vakuumerzeugungssystem mit einer Turbomolekularpumpe evakuiert, ein Gaseinlasssystem ist zur Einstellung eines ge- eigneten Arbeitsdruckes für Argongas bestimmt.The side walls 4 and 5 form an obtuse angle of 135 ° with an adjacent side wall. The side wall 6 forms an obtuse angle of 135 ° with both adjacent side walls. The recipient is evacuated from a vacuum generation system with a turbomolecular pump, and a gas inlet system is designed to set a suitable working pressure for argon gas.
Die Seitenwände 2 und 3 besitzen Öffnungen zur Aufnahme je einer Magnetronsputterquelle 7 bzw. 8. Jede der Magnetronquellen hat ein Target mit Kühleinrichtung 9 bzw. 10, eine Gaseinlass- und Gasregeleinrichtung für ein oder mehrere reaktive Gase, z. B. Sauerstoff und Stickstoff, sowie Schirmbleche 1 1 bzw. 12, die den Plasmaraum in der Umgebung der Targets begrenzen. Außerhalb der Schirmbleche tragen beide Magnetron- Sputterquellen je eine Elektrode 13 bzw. 14, die weitgehend gegen eine Beschichtung geschützt ist. Solche sogenannten versteckten Anoden sind aus DE 42 23 505 C1 und DE 199 47 932 C1 / DE 199 47 935 A1 bekannt. Die Seitenwände 4, 5, 6 sind mit je einer Öffnung versehen, die zur Aufnahme eines Substrathalters 15 vorbereitet ist. Die Mitten
dieser Öffnung und die Mitten der Magnetron-Sputterquellen liegen in einer Ebene, die dem Rezipientenquerschnitt entspricht, im vorliegenden Beispiel in der Zeichnungsebene. Die Öffnungen sind mit je einem Paar von Excenterflanschen 16, 17, 18 gedichtet. Diese Excenterflansche können mit unterschiedlichen Winkellagen zueinander montiert werden. Auf diese Weise ist die Position des Substrathalters 15 wahlfrei einstellbar. Mit denThe side walls 2 and 3 have openings for receiving a magnetron sputter source 7 and 8, respectively. Each of the magnetron sources has a target with a cooling device 9 or 10, a gas inlet and gas control device for one or more reactive gases, e.g. B. oxygen and nitrogen, and shielding plates 1 1 and 12, which limit the plasma space in the vicinity of the targets. Outside the shield plates, both magnetron sputter sources each have an electrode 13 or 14, which is largely protected against a coating. Such so-called hidden anodes are known from DE 42 23 505 C1 and DE 199 47 932 C1 / DE 199 47 935 A1. The side walls 4, 5, 6 are each provided with an opening which is prepared for receiving a substrate holder 15. The middle this opening and the centers of the magnetron sputter sources lie in a plane which corresponds to the recipient cross section, in the present example in the plane of the drawing. The openings are each sealed with a pair of eccentric flanges 16, 17, 18. These eccentric flanges can be installed at different angles to each other. In this way, the position of the substrate holder 15 can be set as desired. With the
Excenterflanschen 16 bzw. 18 kann die Mitte des Substrathalters 19 direkt gegenüber der Mitte der jeweils gegenüberliegenden Magnetron-Sputterquelle 20 positioniert werden. Es ist aber ebenso möglich, einen Versatz der Normalen von bis zu 100 mm einzustellen. Die Montage des Substrathalters in der Postion 15 in der Öffnung der Seitenwand 6 ist am besten geeignet, wenn durch Co-Sputtern der Targets 9 und 10 eine Mischschicht aus chemischen Verbindungen beider im Allgemeinen unterschiedlichen Targetmaterialien erzeugt werden soll. Der Substrathalter ist an einem Wellrohrkörper 21 montiert. Dadurch kann der Abstand b zwischen der Mitte des Substrathalters 19 und der Mitte der Magnetron-Sputterquelle 20 im Bereich zwischen 50 mm undl 50 mm eingestellt werden.Eccentric flanges 16 and 18, the center of the substrate holder 19 can be positioned directly opposite the center of the magnetron sputtering source 20 opposite each other. However, it is also possible to set an offset of the normal of up to 100 mm. The mounting of the substrate holder in the position 15 in the opening of the side wall 6 is best suited if a mixed layer of chemical compounds of both generally different target materials is to be produced by co-sputtering the targets 9 and 10. The substrate holder is mounted on a corrugated tube body 21. As a result, the distance b between the center of the substrate holder 19 and the center of the magnetron sputtering source 20 can be set in the range between 50 mm and 50 mm.
Eine Stromversorgungseinrichtung (hier nicht dargestellt) für die Magnetron-Sputterquellen ist mit Mitteln ausgestattet, die eine Einspeisung unipolarer Leistungspulse oder alternativ bipolarer Leistungspulse erlaubt. Die Pulsfrequenz ist variabel zwischen 10 kHz und 50 kHz einstellbar. Das Verhältnis von Puls-ein-Zeit und Puls-aus-Zeit lässt sich für beide Modi für jedes Target unabhängig im Verhältnis 1 :10 bis 10:1 einstellen.A power supply device (not shown here) for the magnetron sputter sources is equipped with means which allow unipolar power pulses or alternatively bipolar power pulses to be fed in. The pulse frequency is variably adjustable between 10 kHz and 50 kHz. The ratio of pulse on time and pulse off time can be set independently for each target in a ratio of 1:10 to 10: 1 for both modes.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist weiterhin mit mechanischen Schnellschlussblenden 22 und 23 ausgestattet, die elektropneumatisch angetrieben sind. Sie sind erforderlich, damit die Einrichtung zur Abscheidung von Vielschichtsysstemen mit scharfen Interfaces, d. h. sprunghaften Übergängen zwischen den Einzelschichten einsetzbar ist. Die Öffnung in der Seitenwand 5, die im Beispiel nicht zur Aufnahme der Substrathalterung benötigt wird, dient zur Montage eines energiedispersen Massenspektrometers 24, mit dem zur Unterstützung der Prozessoptimierung die Auswirkung unterschiedlich eingestellter Parameter der Energieeinspeisung auf Art, Dichte und Energieverteilung der Plasmaspezies gemessen werden kann.The device according to the invention is further equipped with mechanical quick-closing orifices 22 and 23 which are driven electro-pneumatically. They are required so that the device for the deposition of multi-layer systems with sharp interfaces, i. H. abrupt transitions between the individual layers can be used. The opening in the side wall 5, which in the example is not required to accommodate the substrate holder, is used to mount an energy-dispersive mass spectrometer 24, with which the effect of differently set parameters of the energy feed on the type, density and energy distribution of the plasma species can be measured to support the process optimization ,
Aus Fig. 2a sind das Blockschaltbild für die Einspeisung unipolarer Leistungspulse und das resultierende Pulsmuster ablesbar. Zwei Gleichstromquellen 31 und 32 in Verbindung mit einer Schalteinheit 33 speisen beide Magnetron-Sputterquellen.
Das Target der einen Quelle bildet die Katode 35, die „versteckte" Elektrode der Quelle die Anode 34 der ersten Magnetron-Entladung.The block diagram for the feeding of unipolar power pulses and the resulting pulse pattern can be read from FIG. 2a. Two direct current sources 31 and 32 in connection with a switching unit 33 both feed magnetron sputter sources. The target of the one source forms the cathode 35, the “hidden” electrode of the source the anode 34 of the first magnetron discharge.
Das Target der anderen Quelle wirkt als Kathode 37, die „versteckte" Elektrode dieser Quelle als Anode 36 der zweiten Magnetron-Entladung. Die zugehörigen Muster der Strompulse 38 und 39 sind im Beispiel sowohl bezüglich der Frequenz als auch der Amplitude und des Verhältnisses von Puls-ein-Zeit und Puls-aus-Zeit entsprechend der Beschichtungsaufgabe unterschiedlich eingestellt.The target of the other source acts as cathode 37, the “hidden” electrode of this source acts as anode 36 of the second magnetron discharge. The associated patterns of the current pulses 38 and 39 are in the example with respect to the frequency as well as the amplitude and the ratio of pulse -On-time and pulse-off-time set differently according to the coating task.
In Fig. 2 b sind Blockschaltbilder und Pulsmuster für den Modus der Energieeinspeisung in die Magnetron-Sputterquelle in Form bipolarer Leistungspulse dargestellt. Die gleichen beiden Gleichstromquellen 31 und 32 und die Schalteinheit 33 mit der integrierten Umschalteinrichtung für den Pulsmodus speisen hier bipolare Energiepulse in die Doppelanordnung der beiden Magnetron-Sputterquellen.2 b shows block diagrams and pulse patterns for the mode of energy feed into the magnetron sputter source in the form of bipolar power pulses. The same two direct current sources 31 and 32 and the switching unit 33 with the integrated switching device for the pulse mode feed bipolar energy pulses in the double arrangement of the two magnetron sputter sources.
Die Targets wirken abwechselnd jeweils als Anode und Katode einer gemeinsamen Magnetronentladung, die „versteckten" Elektroden sind nicht elektrisch mit der Stromversorgung verbunden und deshalb in Fig. 2b nicht dargestellt. Das resultierende Pulsmuster 40 zeigt, dass auch hier Pulslänge und Amplitude für beide Magnetron-Sputterquellen unterschiedlich eingestellt sind. Die Umschaltung zwischen beiden Pulsmodi gemäß Schaltung Fig. 2a und Fig. 2b ist jederzeit programmgesteuert möglich.
The targets alternately act as anode and cathode of a common magnetron discharge, the “hidden” electrodes are not electrically connected to the power supply and are therefore not shown in FIG. 2b. The resulting pulse pattern 40 shows that here too pulse length and amplitude for both magnetron The switchover between the two pulse modes according to the circuit in FIGS. 2a and 2b is possible at any time under program control.