WO2022122095A1 - Blendenanordnung zur begrenzung des beschichtungsbereichs einer sputterquelle und sputtervorrichtung - Google Patents

Blendenanordnung zur begrenzung des beschichtungsbereichs einer sputterquelle und sputtervorrichtung Download PDF

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diaphragm
sputtering
aperture
substrate
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Dzmitry Hrunski
Markus Kress
Marco Seibert
Florian Peter Schwarz
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Solayer Gmbh
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Definitions

  • Aperture arrangement for limiting the coating area of a sputtering source and sputtering device
  • the invention generally relates to a diaphragm arrangement of an aperture diaphragm for delimiting the coating area which emanates from a sputtering source as a result of sputtering, and to a sputtering device which has such a diaphragm arrangement.
  • a sputtering device usually has a substrate holding device and one or more sputtering sources for providing the vaporous coating material.
  • Substrate and sputtering source(s) are positioned opposite one another in a coating section in a vacuum process gas by means of the substrate holder and a suitable source holder such that the coating material is deposited from the sputtering source in a coating area on the substrate surface.
  • To coat a plurality of substrates they are moved relative to the sputtering source during sputtering.
  • the substrate arrangement is regularly based on the static, nominal vapor distribution. Only statistical deviations in the transport direction can be compensated for by moving the substrates. The tangential direction is compensated for by means of a rotary movement of the substrates.
  • That area is generally used as the coating area considered between the coating source and the substrate surface to be coated, within which there is a characteristic, directed, spatial spread of the vaporous coating material.
  • Coating area is during the sputtering a line of sight between at least a portion of the target and at least a portion of the substrate surface.
  • the material spreads in the coating area according to a process-specific distribution characteristic that can be influenced, in contrast to stray vapor.
  • Such a line of sight connection for the coating area is due to the pressure area during sputtering, which is approx. 10-4 to 10-2 mbar is in a range in which the mean free path of the vapor particles is large compared to the target-substrate distance.
  • surface sections such as , analogous to flat substrates, side and rear surfaces or recesses are not included here, since these have no line of sight to the target due to the mounting of the substrate. Turning the substrate over and also coating these surfaces in a subsequent sputtering process is optional, but usually not desired.
  • planar or cylindrical rotating magnetron sputter sources are used as sputter sources. These are arranged above or below the substrates so that the dusted material spreads in the direction of the substrates and is deposited there.
  • Tubular magnetrons include a cylindrical cathode that is rotatable about its longitudinal axis.
  • the outer surfaces of these tube cathodes consist of sputterable target material.
  • the magnet system which extends over the entire length of the tubular target, is regularly arranged in the interior of such a tubular target.
  • planar magnetrons use plate-shaped targets with a magnet system behind them.
  • the decisive reference of a sputtering source is that plane which is determined by the surface of the planar target and the magnet system arranged behind it, parallel to the surface.
  • the axis of rotation of the cylinder in conjunction with the magnet system aligned parallel to it is the defining axis of the sputtering source. This level or The axis determines the effective direction and solid angle distribution of the material vapor jet generated by sputtering, the so-called sputtering lobe.
  • the aim of a coating is regularly to deposit a layer on a substrate that is homogeneous in terms of layer thickness and layer properties or follows a desired distribution, with the movement of the substrate having to be taken into account.
  • a coating according to the prior art is described by way of example using an arrangement shown schematically, in which a A plurality of circular substrates 2 are arranged in a substrate holder, in the exemplary embodiment on a turntable 1 .
  • the turntable 1 rotates (represented by an arrow) about an axis of rotation 3 which is perpendicular to the surface of the turntable 1 and optionally at the same time to the surface of the substrates 2 .
  • a sputtering source 4 in the exemplary embodiment consisting of two parallel tube magnetrons with target tubes rotating about their axes of rotation 5 (double tube magnetron), is arranged above the substrates 2, from which the coating material is sputtered in the form of a characteristic, regularly club-shaped in the undisturbed state Material flow spreads and is reflected on the moving substrates 2 .
  • FIG. 1B shows the arrangement of FIG. 1A in section.
  • planar magnetrons can also be used instead of the tubular magnetrons shown.
  • the substrate can also be arranged above the sputter source (sputter-up) (not shown).
  • the amount of material deposited and thus the locally achievable layer thickness results from the static evaporation rate per unit area of the source and the speed of movement of the substrate.
  • vacuum coating systems according to the prior art to determine regularly both local and temporal changes in the plasma distribution and the deposition rates.
  • suitably shaped, fixed screen arrangements 6 (FIG. 2B) with a suitable screen opening 7 between the substrate 2 and the sputtering source 4 are used according to the prior art.
  • the diaphragm openings 7 In the case of rotating or rotating substrates 4, the diaphragm openings 7 have an approximately trapezoidal shape. In this way, the rate differences on different orbits can be equalized.
  • the edge areas of the sputtering source In the case of linearly moving substrates, the edge areas of the sputtering source often have to be shielded.
  • the panel arrangement of FIG. 2B in FIG. 2A not shown.
  • a disadvantage of these solutions are the static apertures, where changes in sputtering conditions over time can only be compensated for by breaking the vacuum and opening the coating chamber to readjust the apertures.
  • the necessary regular adjustment of the layer thickness is carried out by the following process steps. First, a test coating is carried out and the layer thickness distribution is determined. On the basis of this, a correction of the boundary edges of the diaphragm opening is determined empirically or by calculation. The coating system is ventilated, the screens dismantled and the screen opening modified. After reinstalling the panels, the system is reconfigured to the coating parameters and a new test coating is carried out. After the layer thickness has been measured, the process sometimes has to be repeated again until the desired layer thickness homogeneity is achieved.
  • the object of the invention is the diaphragm arrangement of an aperture diaphragm and a sputtering device with such a device Specify diaphragm arrangement whose diaphragm opening can be varied temporally and geometrically and which allows the adaptation of the diaphragm opening in situ in order to increase the layer thickness homogeneity of the layer to be deposited and thereby increase the yield of a coating process.
  • the invention should be applicable in particular for tubular magnetrons, but also for planar magnetrons, regardless of whether the sputtering source is designed as a single or multiple source.
  • the invention should be applicable to the known sputtering devices, such as batch devices, continuous devices, individual chambers and sputtering device with which layers are moved in a circle, such as. B. arranged on a turntable, substrates or deposited on rotating substrates.
  • the invention should also be applicable to rotating individual substrates, to individual substrates, several of which are fixedly arranged on a rotatable substrate holder (turntable), as well as to such substrate holders with which planetary movements of the substrates can be realized.
  • Individual substrates rotating around the axis of rotation can also be coated with the method and the device used for this purpose.
  • the invention relates to the diaphragm arrangement of an aperture diaphragm whose diaphragm opening can be varied in situ by placing one or more diaphragm plates in front of the Can be moved back and forth so that they more or less cover the aperture opening and prevent sputtering material from hitting the substrate directly in the covered areas.
  • the possible movements can be realized by linear movements, pivoting or a combination of both.
  • the subject matter of the invention is also a sputtering device which has such a diaphragm arrangement.
  • Such a screen arrangement comprises a base body which has a passage delimited by a passage edge. This defines the maximum aperture opening that can be set. The size and shape of the aperture opening is varied by means of at least one aperture plate.
  • the aperture plate is mounted on the base so that it can be moved relative to the passage.
  • the diaphragm plate can be pivoted in front of the passage and back about a pivot point D located on the base body.
  • a combination of both types of movement can also provide that the component, which forms the pivot point D, can be displaced relative to the passage with the orifice plate.
  • a further optimization of the result can thus be achieved.
  • Moving "in front of the passage” is to be understood in such a way that the aperture plate as a result of its movement protrudes in sections and variably, based on the line of sight connection between the substrate surface and the sputtering source, beyond the passage edge of the base body into the passage.
  • the shape and position of the base body and the Screen plates are adapted to one another in such a way that both components together prevent the screen arrangement from fulfilling its usual function of limiting the material flow and the associated coating area on the substrate surface.
  • floor plan in its usual meaning describes the projection of the culvert onto a suitable, preferably horizontal plane, so that also three-dimensionally shaped, for example arched passages are also included.
  • a suitable level can be, for example, the substrate surface or the transport level in which the transport of the substrates takes place, or another level that can be clearly identified in the coating system.
  • aperture plate thus refers to a substantially plate-shaped component of the aperture assembly, which also includes three-dimensionally shaped "plates".
  • the passage of the base body can have a size and shape suitable for the respective sputtering process.
  • the floor plan can be designed in such a way that it reduces the systematic deviations in the deposition rates mentioned above or other known ones. It is regularly matched to the size and shape of the sputtering source.
  • the diaphragm arrangement further comprises a movement device which is operatively connected to the diaphragm plate in order to carry out its movement.
  • the operative connection can be realized via mechanical connecting means and manipulators or by electrical drives with associated controls or by a combination of both.
  • the movement device can be designed in such a way that it enables the at least one aperture plate to be moved from outside the sputtering chamber. If the screen arrangement has several screen plates, these can be moved independently of one another by means of the movement device.
  • the design of the movement device depends, among other things, on the components of the panel arrangement that are to be moved independently of one another, on the size of the panel opening, on the type and scope of the movement and on the type of drive for the movement.
  • convex and concave are intended to refer only to the geometry of the aperture plate, not to the geometry of the aperture created by the aperture plates.
  • a convex curvature of the inner edge of the aperture plate leads to a greater narrowing of the aperture opening, compared to a concave curvature of the inner edge of the aperture plate, with the otherwise identical position of both aperture plates.
  • the desired local deposition rate can also be varied via the degree of curvature by moving one or more diaphragm plates.
  • the type, extent and position of the curvature or curvatures of an orifice plate can be determined in advance for a specific coating task through tests or computer simulation.
  • the diaphragm plate can be designed in two parts, in that two partial diaphragms lying one above the other can be moved relative to one another, d. H . are slidably and / or pivoted about the same pivot point D mounted.
  • This configuration allows, in addition to the previously described variations, the shape of the inner edge of the diaphragm plate formed from the two partial diaphragms is modifiable. For this purpose, both sub-apertures are moved relative to each other so that they more or less overlap.
  • the adjustable relative positions of the diaphragm plates and/or partial diaphragms resulting from the embodiment also allows the production of several diaphragm openings in only one diaphragm arrangement.
  • the passage of the base body is designed in such a way that it is adapted to the relevant coating process, in particular its expected spatial vapor propagation, and to known inhomogeneities in the deposition rate.
  • the floor plan of the culvert essentially has the shape of a flat, simple n-gon, where n is an element of the natural numbers (n e N) and n > 2.
  • a flat, simple n-gon is characterized by the fact that its corners lie in one plane and that there are no other common points on two sides of the n-gon apart from the corners.
  • the “substantially” restriction also includes those sides of the n-gon that retain its basic shape with n corners, but are not necessarily formed by a straight line. Such an n-gon also includes the use of a circular passage. Preferred shows the passage 3 , 4 , 5 or 6 corners on .
  • n-corners of the floor plan of such a passage is limited to 10 or less according to a further embodiment, clear corner points and sides are formed with the usual passage sizes.
  • a pivot point D used for pivoting one of the one or more aperture plates used can thus be arranged at one of the corner points or at a side edge of the n-gon.
  • the passage can be modified in various ways.
  • a corner can be formed by a concave or convex inner edge, the radius being determined, for example, by the technical possibilities for producing the base body.
  • the passage has a straight or curved side edge, which is covered, for example, by a more or less curved inner edge of an orifice plate that protrudes into the passage.
  • the diaphragm arrangement has two diaphragm plates whose pivot points D are located at two adjacent or at two diagonally opposite corner points of the passage, whereby the setting options described above can be increased and/or symmetrical.
  • the passage can also be adapted to known or previously determined characteristics of the steam distribution by means of a floor plan of the passage, which is delimited by a free-form curve.
  • Free-form curves are 2- and 3-dimensional curves that must meet known boundary conditions in order to to serve a specific purpose. They are described by piecewise polynomial functions and modeled using computer-aided design (CAD).
  • the location of the one or more pivot points of the rotatable screen plates is in this case linked to the design of the free curve.
  • two or more pivot points can be arranged adjacent to one another or at a distance from one another in order to achieve the desired variation of the aperture opening.
  • a sputtering device that uses such a diaphragm arrangement has, in addition to the basic components mentioned above for the prior art and the enveloping vacuum chamber, an aperture diaphragm with the diaphragm arrangement described above.
  • the aperture stop is arranged within the vacuum chamber between the substrate surface to be coated and the sputtering source.
  • the sputtering device also has such a movement device that can be operated from outside the vacuum chamber by means of a suitable control device.
  • control device has mechanical, pneumatic, hydraulic or electrical transmission means and/or drives, which are guided into the vacuum chamber or arranged in it in order to move the at least one orifice plate there.
  • transmission means and drives of this type are available to the person skilled in the art, with which he can operate other components arranged within the vacuum chamber when the chamber is closed.
  • the substrate holder is designed to execute a circular and/or rotating movement of the substrate about a central axis of rotation of the substrate holder. Such turntables hold a substrate or several of them on a rotating plate-shaped holder.
  • the screen arrangements of such turntable systems regularly have a square, preferably trapezoidal, basic shape of the screen opening.
  • the trapezoidal shape is intended to compensate for the separation rates that are systematically dependent on the radius of the respective circular path.
  • the substrate is guided past a sputtering source in the course of its movement. Meanwhile, the sputtering material is deposited on the substrate surface to be coated in a coating area, this being determined by the aperture of the aperture arrangement described above and arranged between the substrate and the sputtering source.
  • the geometry and/or the area of the aperture opening is in situ by means of at least one Aperture plate varies in that the aperture plate, which is movable, for example rotatable about a pivot point D, is mounted on the base body of the aperture arrangement in order to be moved, in particular pivoted, according to a predefined path such that the passage of the base body is more or less closed.
  • the one or more diaphragm plates are moved in such a way that the border of the passage is covered at least in sections and the size and shape of the passage is thus varied.
  • the coating method which uses the sputtering device according to the invention, includes the following steps, for example:
  • a test substrate is coated and its layer thicknesses and distribution of layer thicknesses and/or layer properties are determined, as is known from the prior art.
  • Another test substrate is coated with this setting in order to determine the extent to which the desired layer thickness distribution was achieved for the start.
  • correction values determined in this way are used for in situ readjustment of the aperture plate(s) and, if necessary, partial apertures by means of the movement device.
  • the diaphragm arrangement according to the invention allows the diaphragm opening to be set with an accuracy of less than +/-0.2 mm.
  • an accuracy of less than +/-0.2 mm Through a specifically adjustable position of the inner edge of the at least one diaphragm plate and thus also the position of the diaphragm opening relative to the sputter source, inhomogeneities in the vapor source can be compensated for better than with the solutions of the prior art. Due to the differentiated and precisely adjustable aperture, higher separation rates can also be achieved.
  • one or more than one, preferably two, screen plates can be used. While higher coating rates can be achieved with only one orifice plate compared to two or more of them, multiple orifice plates allow greater degrees of freedom in the setting, which can prove to be advantageous in particular for nonlinear inhomogeneities.
  • the setting can also be locally differentiated by means of the shape of the inner edges of the diaphragm plates.
  • the layer homogeneity and possibly also the efficiency of layer depositions using the diaphragm arrangement according to the invention are increased compared to the prior art.
  • Layer thicknesses were particularly important for rotary table coating systems Deviations of less than +/- 0.2% can be achieved.
  • FIG. 1A, Fig. 1B sputtering device with turntable and double tube magnetron according to the prior art in a perspective and sectional view
  • FIG. 2A-Fig. 2C embodiments of a diaphragm arrangement according to the prior art
  • Aperture arrangement with aperture plates arranged on one side with a view of the sputtering sources
  • Fig. 4A-Fig. 4D embodiments of the diaphragm arrangement according to the invention with diaphragm plates arranged on two sides with a view of the sputtering sources, and
  • FIG. 5 schematic representations of a sputtering device according to the invention.
  • FIGS. 2 to 5 are only intended to illustrate the invention by way of example and not as a limitation.
  • the person skilled in the art would combine and modify the features realized previously in the various configurations of the invention and subsequently in the exemplary embodiment in further embodiments, insofar as this seems expedient and sensible to him.
  • Figures 3A to 3C and 4A to 4D show the aperture arrangement 6 according to the invention for substrates (not shown) that rotate during the course of the coating, with a selection of settings for the aperture 11.
  • the view goes through the aperture 11 to the sputtering sources 12 located behind it
  • double tube magnetrons are used.
  • the panel arrangement 6 comprises a base body 13 which has a passage 14 .
  • the passage 14 has an essentially trapezoidal base area, with the two (inner and outer) base sides 15′, 15′′ being in the form of a circular arc, by way of example but not by way of limitation, with a slight deviation from a regular trapezoidal shape.
  • the inner, i.e. the axis of rotation (not shown) of the substrate holder closer base 15 ' is the shorter.
  • the aperture diaphragms are each arranged in front of the respective sputtering source 12 in such a way that both components are symmetrical to one another and the height of the trapezium is parallel to the axes of the tube magnetron. This position of the two components is also only given as an example, but not as a limitation.
  • a diaphragm plate 17 which can be moved relative to the base body, is mounted on one of the two legs 16', 16''.
  • the type of movement can be any of the above and is symbolized in the figures by corresponding double arrows.
  • the orifice plate 17 protrudes along one of the two legs 16", almost over its entire length, into the passage 14 and narrows it.
  • the inner edge 18 of the orifice plate 17 has a convex curvature, at least in the visible area so that the passage is narrowed most in the middle, but not at all adjacent to the legs 15', 15".
  • FIGS. 3B and 3C as well as 4A to 4D have the same basic structure of the diaphragm arrangement with regard to the base body, the shape of the passage and the design of the sputtering source merely for better illustration of the differences and comparability. Obviously, these components are not limited to the illustrated embodiments.
  • the screen arrangement of FIG. 3B has a two-part screen plate 17 which, as described for FIG outer portion of passage 14 protrudes further into passage 14 than the other.
  • the two partial screens 19′, 19′′ in turn have, by way of example but not limiting, a convex curvature at least in the visible region, the curvature of a partial screen 19′′ having a curvature that becomes stronger toward the outer base side 15′′.
  • the movement that can be carried out with the aperture plate 17 in this exemplary embodiment is a pivoting movement of both partial apertures together (represented by only one double arrow) around a pivot point D (represented by a cross) which is adjacent to that corner of the opening 14 is arranged, to which the leg 16" covered by the aperture plate 17 borders.
  • a pivot point D represented by a cross
  • the embodiment of Fig. 3C is a modification of the embodiment of Fig. 3B.
  • the pivot point D of the two partial screens 19', 19'' is here arranged approximately in the middle of the leg 16'', which is to be modified by means of the screen plate 17.
  • the outer and the inner section of this leg 16" can be modified significantly differently from one another.
  • FIGS. 4A to 4D differ in particular from those described above in that both legs 16', 16" of the essentially trapezoidal passage 14 each have a movable screen plate 17', 17'', as described for FIG. 3A .
  • both legs 16', 16" of the essentially trapezoidal passage 14 each have a movable screen plate 17', 17'', as described for FIG. 3A .
  • a temporary diaphragm plate 17', 17" is also mounted pivotably about a pivot point D on each of the two legs 16', 16".
  • the partial diaphragms 19', 19'' have curvatures that differ from one another, so that the setting options for the ultimately effective diaphragm opening 11 can be further diversified.
  • the positions of the partial diaphragms and their pivot points and the resulting settings reference is made to the statements relating to FIG. 3B.
  • FIG. 4C differs from that of FIG. 4B in that the pivot points D are arranged at the corner points between one of the legs 16′, 16′′ and the outer base side 15′′.
  • the pivot points D are arranged at the corner points between one of the legs 16′, 16′′ and the outer base side 15′′.
  • FIG. 5 schematically shows the essential components of a sputtering device 40 according to the invention, which uses one of the diaphragm arrangements 6 described above in its diaphragm arrangements.
  • the sputtering device 40 has an essentially circular structure and has a plurality of stations distributed over its circumference, which serve directly or indirectly to coat substrates 41 with a layer which has the desired distribution of the layer thickness and/or Has layer properties.
  • the substrates 41 are arranged in the carrier segment 42 of the substrate holder (not shown) and are moved into a handling station 45 by means of a loading station 43 which separates the area of the sputtering device which is under vacuum by a vacuum lock 44 .
  • the substrates 41 are placed on the turntable 46 which rotates clockwise, for example (represented by an arrow).
  • the turntable 46 By gradually rotating the turntable 46 by means of a suitable rotation unit (not shown), the substrates 41 gradually pass through the individual stations of the sputtering device 40 including the coating station(s), so that the carrier segments 42 with coated substrates 41 are removed at the handling station 45 be able .
  • Fig. 5 shows a first process chamber 47 ′ in the direction of rotation with a sputtering source 48 for coating the substrates 41 .
  • the layer thicknesses and, if necessary, other properties, such as transparency or surface resistance are measured at several measurement points 53 on the substrate 41 that are known to be significant.
  • two, three (FIG. 5) or more measuring points can be located next to one another in the radial direction, so that the desired homogenization of the layer thickness in the radial direction with the diaphragm arrangement according to the invention can be determined.
  • measurement points 53 can also be positioned differently in order to obtain further information.
  • Den m (me N with m > 0 ) Measurement points 53 are preferably assigned to n measurement channels (not shown).
  • the measured values 54 are transferred to a control unit 50 for comparison with the target values 55, so that the correction settings for the diaphragm arrangement present in one or optionally several subsequent process chambers 47'', 47''' can be determined using a suitable algorithm.
  • a drive unit 52 is activated by means of the control unit 50 in order to pivot and/or shift the aperture plates (not shown) and, if necessary, partial apertures (also not shown) of the aperture arrangement 51 in such a way that the desired coating result is achieved.
  • the diaphragm opening in the third process chamber 47''' is, by way of example but not restrictively, completely closed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Blendenanordnung einer Aperturblende zur Begrenzung des für eine Schichtabscheidung wirksamen Beschichtungsbereiches sowie eine Sputtervorrichtung, welche die Blendenanordnung verwendet. Die Blendenanordnung umfasst einen Grundkörper (13), welcher einen durch eine Durchlasskante begrenzten Durchlass (14). Um die Blendenöffnung zeitlich und geometrisch in situ variierbar zu gestalten, weist die Blendenanordnung zumindest eine Blendenplatte (17, 17', 17") auf, welche an dem Grundkörper (13) vor den Durchlass (14) und zurück bewegbar montiert ist. Die Blendenanordnung umfasst weiter eine Bewegungsvorrichtung, welche mit der Blendenplatte (17, 17', 17") in Wirkverbindung steht, um deren Bewegung auszuführen.

Description

Blendenanordnung zur Begrenzung des Beschichtungsbereichs einer Sputterquelle und Sputtervorrichtung
Die Erfindung betri f ft allgemein eine Blendenanordnung einer Aperturblende zur Begrenzung des Beschichtungsbereichs , welcher infolge des Sputterns von einer Sputterquelle ausgeht sowie eine Sputtervorrichtung, die eine solche Blendenanordnung aufweist .
Eine Sputtervorrichtung weist üblicherweise eine Substrathaltevorrichtung und eine oder mehrere Sputterquellen auf zur Bereitstellung des dampf förmigen Beschichtungsmaterials . Substrat und Sputterquelle (n) werden in einer Beschichtungssektion in einem unter Vakuum stehenden Prozessgas mittels der Substrathalterung und einer geeigneten Quellhalterung derart einander gegenüberliegend positioniert , dass sich das Beschichtungsmaterial von der Sputterquelle ausgehend in einem Beschichtungsbereich auf der Substratoberfläche niederschlägt . Zur Beschichtung einer Mehrzahl von Substraten werden diese während des Sputterns relativ zur Sputterquelle bewegt .
Die Substratanordnung erfolgt regelmäßig anhand der statischen, nominellen Dampfverteilung . Mittels einer Bewegung der Substrate können lediglich statistische Abweichungen in Transportrichtung ausgeglichen werden . Mittels einer Drehbewegung der Substrate erfolgt der Ausgleich tangentialer Richtung .
Als Beschichtungsbereich wird allgemein j ener Bereich zwischen Beschichtungsquelle und zu beschichtender Substratoberfläche angesehen, innerhalb dessen eine charakteristische , gerichtete , räumliche Ausbreitung des dampf förmigen Beschichtungsmaterials gegeben ist . Beschichtungsbereich besteht während des Sputterns eine Sichtverbindung zwischen zumindest einem Bereich des Targets und zumindest einem Abschnitt der Substratoberfläche . Die Materialausbreitung erfolgt im Beschichtungsbereich nach einer prozessspezi fischen und beeinflussbaren Verteilungscharakteristik, im Unterschied zum Streudampf . Eine solche Sichtlinienverbindung für den Beschichtungsbereich begründet sich durch den Druckbereich beim Sputtern, der mit ca . 10-4 bis 10-2 mbar in einem Bereich liegt , bei welchem die mittlere freie Weglänge der Dampf teilchen groß ist gegenüber dem Target-Substrat- Abstand .
Bezogen auf dreidimensional geformte Substratoberflächen sind hier solche Flächenabschnitte wie , analog zu flachen Substraten, Seiten- und Rückflächen oder Rücksprünge nicht einbezogen, da diese infolge der Halterung des Substrats keine Sichtverbindung zum Target haben . Es ist unbenommen aber meist nicht gewünscht , das Substrat zu wenden und in einem nächsten Sputterverf ahren auch diese Flächen zu beschichten .
Nach dem Stand der Technik werden planare oder zylinderförmige rotierende Magnetron-Sputterquellen ( Planarmagnetrons bzw . Rohrmagnetrons ) als Sputterquellen verwendet . Diese werden oberhalb oder unterhalb der Substrate so angeordnet , dass sich das abgestäubte Material in Richtung der Substrate ausbreitet und dort niederschlägt .
Rohrmagnetrons umfassen eine zylinderförmige Kathode , die um ihre Längsachse drehbar ist . Die Mantel flächen dieser Rohrkathoden bestehen aus sputterbarem Targetmaterial . Im Innenraum eines solchen Rohrtargets ist regelmäßig das Magnetsystem angeordnet , welches sich über die gesamte Länge des Rohrtargets erstreckt . Planarmagnetrons verwenden anstelle der rohrförmigen Targets plattenförmige Targets mit dahinter liegendem Magnetsystem .
Der maßgebliche Bezug einer Sputterquelle ist im Fall von planaren Magnetrons j ene Ebene , welche durch die Oberfläche des planaren Targets und des dahinter, parallel zur Oberfläche angeordnete Magnetsystem bestimmt ist . Im Falle von rotierenden, zylindrischen Magnetrons ist die Rotationsachse des Zylinders in Verbindung mit dem dazu parallel ausgerichteten Magnetsystem die definierende Achse der Sputterquelle . Diese Ebene bzw . Achse bestimmt die Wirkrichtung und Raumwinkelverteilung des durch Sputtern erzeugten Materialdampfstrahls , die sogenannte Sputterkeule .
Ziel einer Beschichtung ist es regelmäßig, eine Schicht auf einem Substrat abzuscheiden, die hinsichtlich der Schichtdicke und der Schichteigenschaften homogen ist oder einer gewünschten Verteilung folgt , wobei die Bewegung des Substrats zu berücksichtigen ist .
In den Fig . 1A und Fig . 1B wird eine Beschichtung gemäß Stand der Technik beispielhaft anhand einer schematisch dargestellten Anordnung beschrieben, bei welcher eine Mehrzahl von kreis förmigen Substraten 2 in einer Substrathalterung, im Aus führungsbeispiel auf einem Drehteller 1 , angeordnet sind . Der Drehteller 1 rotiert ( dargestellt durch einen Pfeil ) um eine Drehachse 3 , welche senkrecht zur Oberfläche des Drehtellers 1 und optional gleichzeitig zur Oberfläche der Substrate 2 liegt .
Über den Substraten 2 wird eine Sputterquelle 4 , im Aus führungsbeispiel bestehend aus zwei parallelen Rohrmagnetrons mit um deren Rotationsachsen 5 rotierenden Targetrohren ( Doppel-Rohrmagnetron) , angeordnet , von der das Beschichtungsmaterial gesputtert wird, sich in Form eines charakteristischen, im ungestörten Zustand regelmäßig keulenförmigen Material flusses ausbreitet und auf den bewegten Substraten 2 niederschlägt .
Fig . 1B zeigt die Anordnung der Fig . 1A in Schnittdarstellung .
Anstelle der dargestellten Rohrmagnetrons kommen auch ein oder mehr Planarmagnetrons zur Anwendung . Anstelle der dargestellten Beschichtung von oben auf das Substrat 2 ( Sputter-down) kann das Substrat auch über der Sputterquelle angeordnet sein ( Sputter-up ) (nicht dargestellt ) .
Wird ein zu beschichtendes Substrat an einer feststehenden Sputterquelle vorbeibewegt , so ergibt sich die abgeschiedene Materialmenge und damit lokal erzielbare Schichtdicke aus der statischen Abdampfrate pro Flächeneinheit der Quelle und der Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats . Bei Vakuumbeschichtungsanlagen gemäß dem Stand der Technik sind regelmäßig sowohl lokale als auch zeitliche Änderungen der Plasmaverteilung und der Abscheideraten fest zustellen . Neben den über der räumlichen Ausdehnung der Sputterquelle zu verzeichnenden Schwankungen der Plasmaverteilung und Abscheideraten sind beispielsweise bei rotierenden oder sich drehenden Substraten auch Unterschiede entlang der Radialrichtung 8 ( Fig . 2A) der Drehbewegung zu verzeichnen . Diese beruhen auf den unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten j ede Kreisbahn und den sich daraus ergebenden unterschiedlichen Verweil zeiten der j eweiligen Flächeneinheiten gegenüber der Sputterquelle .
Um den Unterschieden der Abscheideraten entgegenzuwirken werden gemäß dem Stand der Technik geeignet geformte , feststehende Blendenanordnungen 6 ( Fig . 2B ) mit einer geeigneten Blendenöf fnung 7 zwischen Substrat 2 und Sputterquelle 4 eingesetzt . Bei sich drehenden oder rotierenden Substraten 4 weisen die Blendenöf fnungen 7 eine annähernd trapez förmige Form auf . Auf diese Weise können die Ratenunterschiede auf verschiedenen Kreisbahnen ausgeglichen werden . Bei linear bewegten Substraten sind häufig der Randbereiche der Sputterquelle abzuschirmen . Der besseren Übersicht wegen ist die Blendenanordnung der Fig . 2B in der Fig . 2A nicht dargestellt .
Ein Nachteil dieser Lösungen sind die statischen Blendenöf fnungen, bei denen zeitliche Änderungen der Sputterbedingungen nur ausgeglichen werden können, indem das Vakuum gebrochen und die Beschichtungskammer geöf fnet wird, um die Blenden neu zu j ustieren . Die erforderliche regelmäßige Anpassung der Schichtdicke erfolgt durch folgende Verfahrensschritte . Zunächst wird eine Probebeschichtung durchgeführt und die Schichtdickenverteilung ermittelt . Anhand dessen wird eine Korrektur der Begrenzungskanten der Blendenöf fnung empirisch oder rechnerisch ermittelt . Das Beschichtungssystem wird belüftet , die Blenden demontiert und die Blendenöf fnung modi fi ziert . Nach dem Wiedereinbau der Blenden wird das System erneut auf die Beschichtungsparameter konfiguriert und eine erneute Probebeschichtung vorgenommen . Nach deren Schichtdickenmessung muss der Ablauf mitunter erneut wiederholt werden, bis die gewünschte Schichtdickenhomogenität erreicht wird .
Dieser Ablauf reduziert die Betriebs zeit zur Abscheidung wesentlich . Zudem beeinflusst j ede Unterbrechung des Prozesses und j ede Öf fnung des Systems die Beschichtung, so dass weitere , nicht zwingend vorhersehbare Quellen für Fehler, Dickenschwankungen und Verschmutzungen der Schicht eingebracht und ebenfalls ausgeglichen werden müssen . Hinzu kommt , dass es dem Sputterverf ahren immanent ist , dass stabile Sputterbedingungen über einen längeren Zeitraum nicht aufrechterhalten werden können . So sind während eines üblichen Beschichtungs zeitraums von 1 bis 2 Tagen Abweichungen der Prozessparameter von +/- 5% zu verzeichnen . Wenn Abweichungen in der Schichtdickenhomogenität von kleiner als +/- 0 , 2 % gefordert werden, wird deutlich, dass derart hochwertige Schichten mit den bekannten Verfahren nur sehr kosten- und zeitintensiv realisiert werden können .
Aufgabe der Erfindung ist es , die Blendenanordnung einer Aperturblenden und eine Sputtervorrichtung mit einer solchen Blendenanordnung anzugeben, deren Blendenöf fnung zeitlich und geometrisch variierbar ist und welche das Anpassen der Blendenöf fnung in situ gestattet , um die Schichtdickenhomogenität der abzuscheidenden Schicht und dabei den Ertrag eines Beschichtungsprozesses zu erhöhen .
Die Erfindung soll insbesondere für Rohrmagnetrons anwendbar sein, aber ebenso für Planarmagnetrons , unabhängig davon ob die Sputterquelle als Single- oder Mehrfachquelle ausgebildet ist .
Die Erfindung soll für die bekannten Sputtervorrichtungen anwendbar sein, wie beispielsweise Batch-Vorrichtungen, Durchlaufvorrichtungen, Einzelkammern sowie Sputtervorrichtung, mit welcher Schichten auf kreis förmig bewegten, wie z . B . auf einem Drehteller angeordneten, Substraten oder auf rotierenden Substraten abgeschieden werden .
Die Erfindung soll auch auf rotierende Einzelsubstrate , auf Einzelsubstrate , von denen mehrere fest auf einer drehbaren Substrathalterung ( Drehteller ) angeordnet werden, anwendbar sein, ebenso wie auf solche Substrathalterungen, mit welchen Planetenbewegungen der Substrate realisiert werden können . Auch einzelne , um die Drehachse rotierende Substrate sind mit dem Verfahren und der dafür verwendeten Vorrichtung zu beschichten .
Gegenstand der Erfindung ist die Blendenanordnung einer Aperturblende , deren Blendenöf fnung in situ variiert werden kann, indem eine oder mehrere Blendenplatten so vor den Durchlass und zurückbewegt werden können, dass sie die Blendenöf fnung mehr oder weniger verdecken und in den verdeckten Bereichen verhindern, dass Sputtermaterial direkt auf das Substrat tri f ft . Die möglichen Bewegungen können durch lineare Bewegungen, ein Schwenken oder eine Kombination von beidem realisiert sein .
Auf diese Weise ist sowohl eine absolute Vergrößerung oder Verkleinerung der Blendenöf fnung möglich als auch eine lokal di f ferenzierbare Änderung des Grundrisses der Blendenöf fnung . Die Variation der Größe und Gestalt der Blendenöf fnung kann im Verlauf des Beschichtungsprozesses und ohne Kammeröf fnung erfolgen .
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Sputtervorrichtung, welche eine solche Blendenanordnung aufweist .
Eine derartige Blendenanordnung umfasst einen Grundkörper, welcher einen durch eine Durchlasskante begrenzten Durchlass aufweist . Dieser definiert die maximal einstellbare Blendenöf fnung . Größe und Form der die Blendenöf fnung wird mittels zumindest einer Blendenplatte variiert .
Die Blendenplatte ist an dem Grundkörper montiert ist , so dass sie relativ zum Durchlass bewegbar ist . Im Falle des Schwenkens ist die Blendenplatte um einen auf dem Grundkörper liegenden Drehpunkt D vor den Durchlass und zurück schwenkbar . Eine Kombination von beiden Bewegungsarten kann auch vorsehen, dass die Komponente , welche den Drehpunkt D bildet , mit der Blendenplatte relativ zum Durchlass verschiebbar ist . Damit ist eine weitere Optimierung des Ergebnisses erzielbar . Bevorzugt ist eine Verschiebung rechtwinklig zur Richtung der Substratbewegung, d . h bei einer geradlinige Substratbewegung zu einer der beiden Seiten des Substrats und bei einer Drehbewegung des Substrats in Radialrichtung nach innen und/oder nach außen . Eine solche Verschiebung gestattet es , die seitliche oder die radiale Lage der auf das Substrat einwirkenden Sputterkeule zu variierbaren . Für eine solche Verschiebbarkeit der Sputterkeule ist es augenscheinlich von Vorteil , wenn die Ausdehnung der Sputterquelle j ene der Substratoberfläche in der betref fenden Richtung deutlich übersteigt .
Das Bewegen „vor den Durchlass" ist derart zu verstehen, dass die Blendenplatte infolge ihres Bewegens abschnittsweise und variierbar, auf die Sichtlinienverbindung zwischen Substratoberfläche und Sputterquelle bezogen, über die Durchlasskante des Grundkörpers hinaus in den Durchlass ragt . Die Form und Lage des Grundkörpers und der Blendenplatte sind dabei derart aufeinander angepasst , dass beide Komponenten gemeinsam verhindern, dass die Blendenanordnung ihrer üblichen Funktion zur Begrenzung des Material flusses und damit einhergehend des Beschichtungsbereichs auf der Substratoberfläche gerecht wird . Beispielsweise können Grundkörper und Blendenplatte plattenförmig ausgebildet sein .
Der Begri f f des Grundrisses in seiner üblichen Bedeutung beschreibt die Proj ektion des Durchlasses auf eine geeignete , bevorzugt hori zontale Ebene , so dass auch dreidimensional geformte , beispielsweise gewölbte Durchlässe mit erfasst sind . Eine geeignete Ebene kann beispielsweise die Substratoberfläche oder die Transportebene , in welcher der Transport der Substrate erfolgt , oder eine andere im Beschichtungssystem eindeutig identi fi zierbare Ebene sein .
Gleiches tri f ft auf den Grundkörper und auf die an den Grundkörper angepasste Blendenplatte zu . Der Begri f f der „Blendenplatte" bezeichnet folglich eine im Wesentlichen plattenförmige Komponente der Blendenanordnung, der auch dreidimensional geformte „Platten" einschließt .
Der Durchlass des Grundkörpers kann eine für das j eweilige Sputterverf ahren geeignete Größe und Form aufweisen . Beispielsweise kann der Grundriss derart gestaltet sein, dass er die oben angeführten oder weitere bekannte systematische Abweichungen der Abscheideraten reduziert . Regelmäßig ist er auf die Größe und Gestalt der Sputterquelle abgestimmt .
Zum Zwecke der Variation von Größe und Gestalt der Blendenöf fnung umfasst die Blendenanordnung weiter eine Bewegungsvorrichtung, welche mit der Blendenplatte in Wirkverbindung steht , um deren Bewegung aus zuführen . Die Wirkverbindung kann über mechanische Verbindungsmittel und Manipulatoren oder durch elektrische Antriebe mit zugehöriger Steuerung oder durch eine Kombination von beidem realisiert sein . Die Bewegungsvorrichtung kann derart ausgeführt sein, dass sie ein Bewegen der zumindest einen Blendenplatte von außerhalb der Sputterkammer ermöglicht . Weist die Blendenanordnung mehrere Blendenplatten auf , können diese mittels der Bewegungsvorrichtung unabhängig voneinander bewegt werden . Die Ausgestaltung der Bewegungsvorrichtung hängt unter anderem der unabhängig voneinander zu bewegenden Komponenten der Blendenanordnung, von der Größe der Blendenöf fnung, von Art und Umfang der Bewegung und von der Art des Antriebs der Bewegung ab .
Es wurde festgestellt , dass die Form j enes Begrenzungsabschnitts der Blendenplatte einen signi fikanten Einfluss auf die Homogenisierung der Schichteigenschaften hat , welcher infolge des Bewegens mehr oder weniger in den Durchlass ragt . Jener Teil der Begrenzung, welcher aufgrund der möglichen Bewegung in den Durchlass ragen kann, wird nachfolgend auch als „Innenkante" bezeichnet . Insbesondere bei sich drehenden Substraten wurde ein großer Einfluss der Form der Innenkante auf die Abscheiderate festgestellt . Bereits eine Änderung der Form von 1 mm führten zu Ratenschwankungen von +/- 1 % , j e nach Abstand zur Drehachse des Substrats .
Es wurde insbesondere festgestellt , dass eine zumindest abschnittsweise konvexe oder konkave Wölbung der Innenkante der Blendenplatte einen signi fikanten Einfluss auf die Schichthomogenisierung aufweist .
Die Begri f fe konvex und konkave sollen sich nur auf die Geometrie der Blendenplatte beziehen, nicht auf die Geometrie der mittels der Blendenplatten erzeugten Blendenöf fnung . Mit dieser Betrachtungsweise führt eine konvexe Wölbung der Innenkante der Blendenplatte aufgrund ihrer weiter in die Blendenöf fnung ragenden Wölbung zu einer größeren Einengung der Blendenöf fnung, im Vergleich zu einer konkaven Wölbung der Innenkante der Blendenplatte , bei sonst gleicher Position beider Blendenplatten .
Die Kombination beider Wölbungsarten unmittelbar aufeinanderfolgend und/oder mit ergänzendem linearen Abschnitt ergab eine solche Variabilität in der Größe und Form der Blendenöf fnung, dass verschiedene Schwankungen in der Abscheiderate gezielt beeinflusst werden konnten . Unter Umständen kann es sich von Vorteil erweisen, wenn die konvexe Wölbung einen größeren Anteil der Innenkante ausmachte als die konkave Wölbung . Eine solche Form ist beispielsweise bei der Glockenform ausgebildet .
Neben der Länge der einen oder anderen Wölbung sowie deren Kombinationen kann auch über den Grad der Wölbung die gewünschte lokale Abscheiderate durch das Bewegen der einen oder mehrerer Blendenplatten variiert werden . Art , Umfang und Lage der Wölbung oder Wölbungen einer Blendenplatte können für eine bestimmte Beschichtungsaufgabe durch Versuche oder rechentechnische Simulation vorab ermittelt werden .
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Blendenanordnung kann die Blendenplatte zweiteilig ausgebildet ist , indem zwei übereinander liegende Teilblenden relativ zueinander beweglich, d . h . verschiebbar und/oder um denselben Drehpunkt D schwenkbar, montiert sind . Diese Ausgestaltung gestattet es , dass zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Variationen die Form der aus beiden Teilblenden gebildeten Innenkante der Blendenplatte modi fi zierbar ist . Zu diesem Zweck werden beide Teilblenden relativ zueinander bewegt , so dass sie sich mehr oder weniger überlappen .
Die sich aus den Aus führungs formen ergebenden einstellbaren Relativpositionen der Blendenplatten und/oder Teilblenden gestattet auch die Erzeugung mehrerer Blendenöf fnungen in nur einer Blendenanordnung .
In einer weiteren Ausgestaltung der Blendenanordnung ist der Durchlass des Grundkörpers derart gestaltet , dass er an den betref fenden Beschichtungsprozess , insbesondere dessen zu erwartende räumliche Dampf ausbreitung, und auf bekannte Inhomogenitäten in der Abscheiderate angepasst ist . Dementsprechend weist der Grundriss des Durchlasses im Wesentlichen die Form eines ebenen, einfachen n-Ecks auf , wobei n ein Element der natürlichen Zahlen (n e N) und n > 2 ist . Die Variabilität der Gestaltung der Blendenöf fnung mittels der zumindest einen Blendenplatte gestattet die Verwendung viel fältiger Durchlassgeometrien .
Ein ebenes , einfaches n-Eck zeichnet sich dadurch aus , dass seine Eckpunkte in einer Ebene liegen und dass es außer den Eckpunkten keine weiteren gemeinsamen Punkte zweier Seiten des n-Ecks gibt .
Unter die Einschränkung „im Wesentlichen" fallen auch solche Seiten des n-Ecks , die dessen grundlegende Form mit n Ecken beibehalten, aber nicht zwingend durch eine Gerade gebildet sind . Ein solches n-Eck schließt auch die Verwendung eines kreis förmigen Durchlasses ein . Bevorzugt weist der Durchlass 3 , 4 , 5 oder 6 Ecken auf .
I st die Zahl der n-Ecken des Grundrisses eines solchen Durchlasses entsprechend einer weiteren Ausgestaltung auf 10 oder weiniger beschränkt , sind mit den üblichen Durchlassgrößen eindeutige Eckpunkte und Seiten ausgebildet . Damit kann ein dem Schwenken dienender Drehpunkt D einer der verwendeten einen oder mehreren Blendenplatten an einem der Eckpunkte oder an einer Seitenkante des n-Ecks angeordnet sein . Im Ergebnis kann der Durchlass auf verschiedene Weise modi fi ziert werden . Beispielsweise kann eine Ecke durch eine konkave oder konvexe Innenkante gebildet sein, wobei der Radius beispielsweise durch die technischen Möglichkeiten zur Herstellung des Grundkörpers bestimmt ist . Oder der Durchlass weist eine gerade oder gewölbte Seitenkante auf , die beispielsweise durch eine stärker oder geringer gewölbte Innenkante einer Blendenplatte bedeckt wird, die in den Durchlass ragt .
In einer Abwandlung dieser Aus führung weist die Blendenanordnung zwei Blendenplatte auf , deren Drehpunkte D an zwei benachbarten oder an zwei sich diagonal gegenüber liegenden Eckpunkten des Durchlasses liegen, wodurch die zuvor beschriebenen Einstelloptionen verstärkt und/oder symmetrisch ausgebildet werden können .
Alternativ kann die Anpassung des Durchlasses an bekannte oder zuvor ermittelte Charakteristika der Dampfverteilung auch mittels eines Grundrisses des Durchlasses erfolgen, welcher durch eine Frei formkurve begrenzt ist . Frei formkurven sind 2- und 3-dimensionale Kurven, die bekannten Randbedingungen erfüllen müssen, um einem bestimmten Zweck zu genügen . Sie werden durch stückweise polynomiale Funktionen beschreiben und mittels computerunterstütztem Design ( CAD) modelliert .
Die Anordnung des einen oder mehrerer Drehpunkte der drehbaren Blendenplatten ist in diesem Fall mit dem Entwurf der Freikurve verknüpft . Davon abhängig und in Analogie zur Anordnung der Drehpunkte an einem n-eckigem Durchlass können beispielsweise zwei oder mehr Drehpunkte benachbart oder voneinander beabstandet zueinander angeordnet sein, um die gewünschte Variation der Blendenöf fnung zu erzielen .
Eine Sputtervorrichtung, welche eine solche Blendenanordnung verwendet , weist neben den oben zum Stand der Technik genannten grundlegenden Bestandteilen und der umhüllenden Vakuumkammer, Aperturblende mit der zuvor beschriebenen Blendenanordnung auf . Die Aperturblende ist innerhalb der Vakuumkammer zwischen der zu beschichtenden Substratoberfläche und der Sputterquelle angeordnet .
Weiter weist die Sputtervorrichtung eine solche Bewegungsvorrichtung auf , die von außerhalb der Vakuumkammer mittels einer geeigneten Steuereinrichtung bedienbar ist .
Die Steuereinrichtung weist alternativ mechanische , pneumatische , hydraulische oder elektrische Übertragungsmittel und/oder Antriebe auf , die in die Vakuumkammer geführt oder in dieser angeordnet sind, um dort die zumindest eine Blendenplatte zu bewegen . Dem Fachmann stehen für derartige Übertragungsmittel und Antriebe verschiedene Aus führungen zur Verfügung, mit denen er andere innerhalb der Vakuumkammer angeordnete Komponenten bei geschlossener Kammer bedient . Entsprechend einer Ausgestaltung der Sputtervorrichtung ist die Substrathalterung ausgebildet zur Aus führung einer kreis förmigen und/oder rotierenden Bewegung des Substrats um eine zentrale Drehachse der Substrathalterung . Derartige Drehteller halten ein Substrat oder mehrere davon auf einer rotierenden tellerförmigen Halterung .
Die Blendenanordnungen derartiger Drehtelleranlagen weisen regelmäßig eine viereckige , bevorzugt trapez förmige Grundform der Blendenöf fnung auf . Mittels der Trapez form sollen die systematisch vom Radius der j eweiligen Kreisbahn abhängenden Abscheideraten ausgeglichen werden .
Untersuchungen von Schichtdicken von kreis förmig bewegten oder rotierenden Substraten haben j edoch gezeigt , dass deren Homogenisierung hohe Anforderungen an die Blendenanordnung stellt . Neben den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Abscheidungsraten in radialer Richtung sind unterschiedliche Abhängigkeiten vom Abstand zur Targetmitte zu berücksichtigen . Hinzu kommen die Schichthomogenität mindernde Ef fekte zweiter Ordnung, wie unvermeidbare mechanische oder physikalische Fertigungstoleranzen . Solche sind z . B . die magnetische Feldstärke und der relevante Winkel des magnetischen Flusses . Dazu gehören auch die Reproduzierbarkeit der Einbaulagen oder die Höhe des Targets über dem Substrat , die sich mit zunehmender Dauer der Beschichtung erhöht .
Insbesondere die letztgenannten Ef fekte verhindern, dass Größe und Form der Blendenöf fnung zu Beginn der Beschichtung für den weiteren Verlauf hinreichend genau vorhergesagt werden können, um die erforderliche Schichthomogenität zu erzielen . Aufgrund der variierbaren Geometrie der Blendenöf fnung können die bekannten trapez förmigen Durchlässe , aber ebenso beliebige andere Durchlassgeometrien verwendet werden .
Während bekannte Langzeitef fekte , wie z . B . Uni formitätsänderungen mit zunehmender Targetlebensdauer , können auch ohne regelmäßige Schichtdickenmessungen kompensiert werden . Für automatisierte Sputtervorrichtungen ermöglicht die Implementierung eines In-Situ-Messsystems für die Schichtdicke j edoch eine Dickenregelung mit geschlossenem Regelkreis . Damit sind auch unbekannte Ef fekte zu reduzieren oder aus zugleichen . Ein solcher Regelkreis nutzt die Rückkopplungssignale von geeignet positionierten Sensoren, wie z . B . einem optischen Dickenmesssystem bei verschiedenen Transportbahnen, um Fehler zu reduzieren und die Homogenität der Schichtdicke und optional auch der optisch-elektrischen Schichteigenschaften zu verbessern .
Von der Erfindung sollen auch andere Einbausituationen der Substrate in einer Substrathalterung erfasst sein .
Während des mit einer solchen Sputtervorrichtung ausgeführten Beschichtungsverfahrens wird das Substrat im Verlauf seiner Bewegung an einer Sputterquelle vorbeigeführt . Währenddessen schlägt sich das Sputtermaterial auf der zu beschichtenden Substratoberfläche in einem Beschichtungsbereich nieder, wobei dieser durch die Blendenöf fnung der zuvor beschriebenen und zwischen Substrat und Sputterquelle angeordneten Blendenanordnung bestimmt ist .
Während der Beschichtung wird die Geometrie und/oder die Fläche der Blendenöf fnung in situ mittels zumindest einer Blendenplatte variiert , indem die Blendenplatte , welche beweglich, beispielsweise um einen Drehpunkt D drehbar, an dem Grundkörper der Blendenanordnung montiert ist , um entsprechend einer vordefinierten Bahn derart bewegt , insbesondere geschwenkt wird, dass der Durchlass des Grundkörpers mehr oder weniger verschlossen wird . Das Bewegen der einen oder mehrerer Blendenplatten erfolgt derart , dass die Umrandung des Durchlasses zumindest abschnittsweise überdeckt und damit die Größe und Gestalt des Durchlasses variiert wird .
Das Beschichtungsverfahren, welches die erfindungsgemäße Sputtervorrichtung verwendet umfasst beispielsweise folgende Schritte :
Zunächst wird ein Testsubstrat beschichtet und deren Schichtdicken sowie Schichtdicken- und/oder Schichteigenschaftsverteilung ermittelt , wie aus dem Stand der Technik bekannt .
Auf dieser Basis wird die Korrektur der Begrenzung der Blendenöf fnung kalkuliert und die Einstellung der Blendenplatte (n) und gegebenenfalls deren Teilblenden mittels der Bewegungsvorrichtung der Blendenanordnung vorgenommen .
Mit dieser Einstellung wird ein weiteres Testsubstrat beschichtet , um zu ermitteln, inwieweit die gewünschte Schichtdickenverteilung für den Start erzielt wurde .
Sobald das der Fall ist , kann der eigentliche Beschichtungsprozess beginnen . Im Verlauf der Beschichtung auftretende und festgestellte Inhomogenität werden mittels eines in situ Messsystems erfasst . Dazu kann ein dafür entwickelter Korrektur-Algorithmus zur Anwendung kommen .
Die so ermittelten Korrekturwerte dienen der in situ Nachj ustierung der Blendenplatte (n) und gegebenenfalls Teilblenden mittels der Bewegungsvorrichtung .
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die erfindungsgemäße Blendenanordnung die Einstellung der Blendenöf fnung mit einer Genauigkeit von kleiner als +/- 0 , 2mm gestattet . Durch eine gezielt einstellbare Lage der Innenkante der zumindest einen Blendenplatte und damit auch der Lage der Blendenöf fnung relativ zur Sputterquelle sind Inhomogenitäten der Dampfquelle besser aus zugleichen als mit den Lösungen des Stands der Technik . Aufgrund der di f ferenziert und präzise einstellbaren Blendenöf fnung können auch höhere Abscheideraten erzielbar sein .
Optional kann eine oder mehr als eine , bevorzugt zwei Blendenplatten verwendet werden . Während bei nur einer Blendenplatte im Vergleich zu zwei oder mehreren davon höhere Beschichtungsrate erzielt werden können, gestatten mehrere Blendenplatten höhere Freiheitsgrade in der Einstellung, was sich insbesondere für nichtlineare Inhomogenitäten von Vorteil erweisen kann .
Mittels der Form der Innenkanten der Blendenplatten ist die Einstellung zudem lokal di f ferenzierbar . Im Ergebnis werden die Schichthomogenität und unter Umständen auch die Ef fi zienz von Schichtabscheidungen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Blendenanordnung gegenüber dem Stand der Technik gesteigert . Insbesondere bei Drehtellerbeschichtungsanlagen waren Schichtdicken mit Abweichungen von weniger als + /- 0 , 2 % erzielbar .
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispiels näher erläutert werden . Die zugehörige Zeichnung zeigt in
Fig . 1A, Fig . 1B Sputtervorrichtung mit Drehteller und Doppel-Rohrmagnetron gemäß Stand der Technik in perspektivischer und Schnittdarstellung,
Fig . 2A - Fig . 2C Aus führungs formen einer Blendenanordnung gemäß Stand der Technik,
Fig . 3A - Fig . 3D Aus führungs formen der erfindungsgemäßen
Blendenanordnung mit einseitig angeordneten Blendenplatten mit Blick auf die Sputterquellen,
Fig . 4A - Fig . 4D Aus führungs formen der erfindungsgemäßen Blendenanordnung mit zweiseitig angeordneten Blendenplatten mit Blick auf die Sputterquellen, und
Fig . 5 schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Sputtervorrichtung .
Die Aus führungsbeispiele zur Erfindung ( Figuren 2 bis 5 ) sollen die Erfindung nur beispielhaft und nicht beschränkend verdeutlichen . Der Fachmann würde die zuvor in den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung und nachfolgend in dem Aus führungsbeispiel realisierten Merkmale in weiteren Aus führungs formen kombinieren und modi fi zieren, soweit es ihm zweckdienlich und sinnvoll erscheint .
Die Zeichnungen zeigen die Vorrichtung beziehungsweise Komponenten davon nur schematisch in dem Umfang, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist . Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit .
Die Figuren 3A bis 3C sowie 4A bis 4D zeigen erfindungsgemäße Blendenanordnung 6 für sich im Verlauf der Beschichtung drehende Substrate (nicht dargestellt) mit einer Auswahl an Einstellungen der Blendenöffnung 11. In den Darstellungen geht der Blick durch die Blendenöffnung 11 auf die dahinter liegenden Sputterquellen 12. Beispielhaft, jedoch nicht beschränkend werden Doppelrohrmagnetrons verwendet .
Die Blendenanordnung 6 umfasst jeweils einen Grundkörper 13, welcher einen Durchlass 14 aufweist. Der Durchlass 14 hat eine im Wesentlichen trapezförmige Grundfläche, wobei beispielhaft jedoch nicht beschränkend die beiden (innere und äußere) Grundseiten 15', 15" in geringfügiger Abweichung von einer regulären Trapezform kreisbogenförmig sind. Die innere, d. h. der Rotationsachse (nicht dargestellt) der Substrathalterung näher liegende Grundseite 15' ist dabei die kürzere.
Die Aperturblenden sind jeweils so vor der jeweiligen Sputterquelle 12 angeordnet, dass beide Komponenten symmetrisch zueinander und die Höhe des Trapezes parallel zu den Achsen der Rohrmagnetrons liegt. Auch diese Lage der beiden Komponenten ist lediglich beispielhaft, jedoch nicht beschränkend angeführt.
In der einfachsten Ausführung ist an einer der beiden Schenkel 16', 16" eine Blendenplatte 17, welche relativ zum Grundkörper beweglich ist, montiert. Die Art der Bewegung kann jede der oben genannten sein und wird in den Figuren durch entsprechende Doppelpfeile symbolisiert. In der dargestellten Situation der Fig. 3A ragt die Blendenplatte 17 entlang eines der beiden Schenkels 16", nahezu über dessen gesamte Länge, in den Durchlass 14 und verengt diesen. Die Innenkante 18 der Blendenplatte 17 weist, zumindest im sichtbaren Bereich, eine konvexe Wölbung auf, so dass der Durchlass mittig am meisten verengt wird, angrenzend an den Schenkeln 15', 15" hingegen gar nicht.
Die weiteren Ausführungsbeispiele der Fig. 3B und Fig. 3C sowie Fig. 4A bis Fig. 4D weisen lediglich zur besseren Darstellung der Unterschiede und Vergleichbarkeit denselben grundlegenden Aufbau der Blendenanordnung hinsichtlich Grundkörper, Gestalt des Durchlasses und Ausführung der Sputterquelle auf. Augenscheinlich sind diese Bestandteile nicht auf die dargestellten Ausführungen beschränkt.
Die Blendenanordnung der Fig. 3B weist eine zweiteilige Blendenplatte 17 auf, die wie zur Fig. 3A beschrieben lediglich an einem Schenkel 16" in den Durchlass 14 ragt. Beide Teilblenden 19', 19" überlappen sich in einem Abschnitt, so dass eine davon im äußeren Abschnitt des Durchlasses 14 weiter in den Durchlass 14 ragt als die andere. Die beiden Teilblenden 19', 19" weisen wiederum beispielhaft, jedoch nicht beschränkend, zumindest im sichtbaren Bereich eine konvexe Wölbung auf, wobei die Wölbung einer Teilblende 19" eine zur äußeren Grundseite 15" hin stärker werdende Wölbung aufweist.
Die mit der Blendenplatte 17 in diesem Ausführungsbeispiel ausführbare Bewegung ist eine Schwenkbewegung beider Teilblenden gemeinsam (dargestellt durch nur einen Doppelpfeil) um einen Drehpunkt D (dargestellt durch ein Kreuz) , welcher benachbart zu jener Ecke des Durchlasses 14 angeordnet ist, an die der von der Blendenplatte 17 überdeckte Schenkel 16" angrenzt. Durch das Schwenken der Teilblenden 19', 19" können deren Innenkanten 18', 18" weiter in den oder aus dem Durchlass 14 positioniert werden. Alternativ können beide Teilblenden 19', 19" unabhängig voneinander um denselben Drehpunkt D schwenken.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3C ist eine Modifikation vom Ausführungsbeispiel der Fig. 3B. Der Drehpunkt D der beiden Teilblenden 19', 19" ist hier ca. mittig des Schenkels 16" angeordnet, welcher mittels der Blendenplatte 17 modifiziert werden soll. Durch ein Schwenken beider Teilblenden 19', 19" in die eine oder andere Richtung (dargestellte durch zwei Doppelpfeile) können der äußere und der innere Abschnitt dieses Schenkels 16" deutlich unterschiedlich voneinander modifiziert werden.
Die Ausführungsbeispiele der Fig. 4A bis Fig. 4D unterscheiden sich insbesondere von den zuvor beschriebenen dadurch, dass beide Schenkel 16', 16" des im Wesentlichen trapezförmigen Durchlasses 14 jeweils eine bewegliche Blendenplatten 17', 17" aufweisen, wie zu Fig. 3A beschrieben. Insofern kann auf die dortigen Darlegungen verwiesen werden.
In vergleichbarer Weise sind in Fig. 4B ebenfalls an beiden Schenkeln 16', 16" jeweils eine zeiteilige Blendenplatte 17', 17" um je einen Drehpunkt D schwenkbar montiert. Auch hier weisen die Teilblenden 19', 19" voneinander abweichende Wölbungen auf, so dass die Einstelloptionen für die schlussendlich wirksame Blendenöffnung 11 weiter diversifiziert werden kann. Zu den Lagen der Teilblenden und deren Drehpunkte und den daraus resultierenden Einstellungen wird auf die Darlegungen zu Fig. 3B verwiesen.
Die Aus führungs form der Fig. 4C unterscheidet sich von jener der Fig. 4B dadurch, dass die Drehpunkte D an den Eckpunkten zwischen einem der Schenkel 16', 16" und äußerer Grundseite 15" angeordnet sind. Das hat zur Folge, dass durch das Schwenken der Blendenplatten 17', 17" der innere Abschnitt der Blendenöffnung 11, welcher einen größeren Abstand zu den Drehpunkten D aufweist deutlich empfindlicher modifizierbar ist. Indem die Drehpunkte D an beiden Schenkeln 16', 16" unterschiedlich positioniert werden, können die beiden Seiten des Durchlasses unterschiedlich sensibel modifiziert werden (Fig. 4D) .
Durch weitere Kombinationen der zu den Fig. 3A bis Fig. 3C und Fig. 4A bis Fig. 4D beschriebenen Merkmale und durch weitere Modifikationen der Innenkanten der Blendenplatten und Teilblenden verbunden mit Modifikationen des Durchlasses und deren Bewegungen stehen äußerst vielfältige Einstelloptionen zur Verfügung, um lokale Schwankungen der Abscheiderate lokal differenziert auszugleichen oder im Umkehrschluss gezielt herbeizuführen.
Fig. 5 zeigt schematisch die wesentlichen Bestandteile einer erfindungsgemäße Sputtervorrichtung 40, welche eine der zuvor beschriebenen Blendenanordnungen 6 in ihrer Blendenanordnungen verwendet.
Die Sputtervorrichtung 40 hat einen im Wesentlichen kreisrunden Aufbau und weist auf ihrem Umfang verteilt mehrere Stationen auf, die direkt oder indirekt der Beschichtung von Substraten 41 mit einer Schicht dienen, welche die gewünschte Verteilung der Schichtdicke und/oder Schichteigenschaften aufweist .
Die Substrate 41 sind in Trägersegment 42 der Substrathalterung (nicht dargestellt ) angeordnet und werden mittels einer Ladestation 43 , die durch eine Vakuumschleuse 44 vom unter Vakuum stehenden Bereich der Sputtervorrichtung trennt , in eine Handlingstation 45 eingefahren .
Dort werden die Substrate 41 auf dem sich beispielsweise in Uhrzeigersinn drehenden ( durch Pfeil dargestellt ) Drehteller 46 platziert . Durch eine schrittweise Rotation des Drehtellers 46 mittels einer geeigneten Rotationseinheit (nicht dargestellt ) durchlaufen die Substrate 41 nach und nach die einzelnen Stationen der Sputtervorrichtung 40 einschließlich der Beschichtungsstation ( en) , so dass an der Handlingsstation 45 die Trägersegmente 42 mit beschichteten Substraten 41 entnommen werden können .
Fig . 5 zeigt eine , in Drehrichtung, erste Prozesskammer 47 ' mit einer Sputterquelle 48 zur Beschichtung der Substrate 41 . In einer im Uhrzeigersinn darauf folgenden Monitoringkammer 49 , die über die erforderliche Messtechnik verfügt , werden an mehreren als signi fikant bekannten Messpunkten 53 auf dem Substrat 41 die Schichtdicken und gegebenenfalls weitere Eigenschaften, wie beispielsweise die Transparenz oder der Flächenwiderstand, gemessen . Beispielsweise können zwei , drei ( Fig . 5 ) oder mehr Messpunkte in radialer Richtung nebeneinanderliegen, so dass die mit der erfindungsgemäßen Blendenanordnung gewünschte Homogenisierung der Schichtdicke in radialer Richtung zu ermitteln ist . Alternativ oder ergänzend können Messpunkte 53 auch anders positioniert sein, um weiterführende Informationen zu erhalten . Den m (m e N mit m > 0 ) Messpunkten 53 sind bevorzugt n Messkanäle (nicht dargestellt ) zugeordnet .
Die Messerwerte 54 werden einer Steuereinheit 50 für den Vergleich mit den Sollwerten 55 übergeben, so dass daraus mittels eines geeigneten Algorithmus die Korrektureinstellungen für die in einer oder gegebenenfalls mehreren nachfolgenden Prozesskammern 47" , 47 "' vorhandenen Blendenanordnung zu ermitteln .
Mittels der Steuereinheit 50 wird eine Antriebseinheit 52 aktiviert , um die Blendenplatten (nicht dargestellt ) und gegebenenfalls Teilblenden ( ebenfalls nicht dargestellt ) der Blendenanordnung 51 derart zu schwenken und/oder zu verschieben, dass das gewünschte Beschichtungsergebnis erzielt wird . In der dargestellten Sputtervorrichtung ist in der dritten Prozesskammer 47 "' die Blendenöf fnung beispielhaft , j edoch nicht beschränkend vollständig geschlossen .
Bezugszeichenliste
Substrathalterung, Drehteller
Substrat
Drehachse
Sputterquelle
Rotationsachse
Blendenanordnung
Blendenöf fnung
Radialrichtung
Blendenöf fnung
Sputterquelle
Grundkörper
Durchlass ' innere Grundseite äußere Grundseite ' 16 Schenkel
17 ' , 17 Blendenplatte
18 ' , 18 Innenkante ' 19 Teilblenden
Sputtervorrichtung
Substrat
Segment
Ladestation
Vakuumschleuse
Handlingstation
Drehteller 47 ' , 47" , 47 " Prozessstation
48 Sputterquelle
49 Monitoringkammer
50 Steuereinheit 52 Antriebseinheit
53 Messpunkt
54 Messwerte
55 Sollwerte
D Drehpunkt

Claims

Ansprüche
1. Blendenanordnung einer Aperturblende zur Begrenzung des für eine Schichtabscheidung wirksamen Beschichtungsbereiches, wobei die Blendenanordnung einen Grundkörper (13) umfasst, welcher einen durch eine Durchlasskante begrenzten Durchlass (14) aufweist, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die Blendenanordnung zumindest eine Blendenplatte (17, 17', 17") aufweist, welche an dem Grundkörper (13) vor den Durchlass (14) und zurück bewegbar montiert ist, sowie eine Bewegungsvorrichtung, welche mit der Blendenplatte (17, 17', 17") in Wirkverbindung steht, um deren Bewegung auszuführen.
2. Blendenanordnung nach Anspruch 1, dadur ch ge kenn z e i chne t , dass die zumindest eine Blendenplatte (17, 17', 17") um einen auf dem Grundkörper (13) liegenden Drehpunkt (D) vor den Durchlass (14) und zurück schwenkbar montiert ist.
3. Blendenanordnung nach Anspruch 2, dadur ch ge kenn z e i chne t , dass zumindest eine der Blendenplatten (17, 17', 17") mit deren Drehpunkt (D) relativ zum Durchlass (14) verschiebbar ist.
4. Blendenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die in den Durchlass (14) bewegbare Innenkante (18, 18', 18") der Blendenplatte 30
(17, 17', 17") eine zumindest abschnittsweise konvexe
Wölbung und/oder eine zumindest abschnittsweise konkave Wölbung aufweist.
5. Blendenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die Blendenplatte (17, 17', 17") zweiteilig ausgebildet ist, indem zwei übereinander liegende Teilblenden (19', 19") relativ zueinander bewegbar montiert sind.
6. Blendenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn z e i chne t , dass zwei Blendenplatten (17, 17', 17") und/oder zwei Teilblenden (19', 19") mittels der Bewegungsvorrichtung unabhängig voneinander schwenkbar sind .
7. Blendenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn z e i chne t , dass der Grundriss des Durchlasses (14) im Wesentlichen die Form eines ebenen, einfachen n-Ecks hat, mit n e N und n > 2, oder durch eine Freiformkurve begrenzt ist.
8. Blendenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge kenn z e i chne t , dass der Grundriss des Durchlasses (14) im Wesentlichen die Form eines ebenen, einfachen n-Ecks hat, mit n e N und 2 > n > 10, und dass ein Drehpunkt (D) an einem der Eckpunkte oder an einer Seitenkante des n-Ecks liegt.
9. Blendenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge kenn z e i chne t , dass der Grundriss des Durchlasses (14) im Wesentlichen die Form eines ebenen, einfachen n-Ecks hat, mit n e N und 2 > n > 10, und dass die Blendenanordnung (6) zwei Blendenplatte (17, 17', 17") aufweist, deren Drehpunkte (D) an zwei benachbarten oder an zwei sich diagonal gegenüberliegenden Eckpunkten oder Seitenkanten des Durchlasses (14) liegen.
10. Blendenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge kenn z e i chne t , dass der Grundriss des Durchlasses (14) durch eine Freiformkurve begrenzt ist, und dass ein Drehpunkt (D) auf dem Grundkörper (13) liegt.
11. Blendenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge kenn z e i chne t , dass der Grundriss des Durchlasses (14) durch eine Freiformkurve begrenzt ist und dass die Blendenanordnung (6) zwei Blendenplatte (17, 17', 17") aufweist, deren Drehpunkte (D) auf dem Grundkörper (13) an zwei benachbarten oder an zwei sich diagonal gegenüberliegenden Punkten des Durchlasses (14) liegen.
12. Sputtervorrichtung zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat (2) mittels Sputtern mit einer Sputterquelle (4) , welche mittels einer Quellhalterung in einer
Vakuumkammer der Sputtervorrichtung (40) angeordnet ist, und mit eine Substrathalterung (1) zur Halterung des zumindest einen Substrats (2) relativ zur Sputterquelle (48) und dessen Bewegung während des Sputterns, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die Sputtervorrichtung (40) eine Blendenanordnung (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist, welche zwischen der Sputterquelle (48) und der zu beschichtenden Substratoberfläche angeordnet ist und deren Bewegungsvorrichtung von außerhalb der Vakuumkammer bedienbar ist.
13. Sputtervorrichtung nach Anspruch 12, dadur ch ge kenn z e i chne t , dass die Substrathalterung (1) ausgebildet ist zur Ausführung einer kreisförmigen und/oder rotierenden Bewegung des Substrats (2) um eine zentrale Drehachse (3) der Substrathalterung (1) .
14. Sputtervorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die Sputtervorrichtung (40) eine Messeinheit zur Schichtdickenmessung der abgeschiedenen Schicht umfasst.
15. Sputtervorrichtung nach Anspruch 14, dadur ch ge kenn z e i chne t , dass die Messeinheit derart ausgebildet ist, dass eine Messung der Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht an zwei, drei oder mehr Messpunkten (53) erfolgt.
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