DE19827587A1 - Einrichtung zur plasmagestützten Schichtabscheidung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine mit Mittelfrequenzspannung gespeiste Doppelmagnetron-Sputtereinrichtung, bestehend aus zwei im wesentlichen in einer Ebene parallel nebeneinander liegenden Einzelmagnetrons mit gleicher Magnetfeldrichtung, jeweils umfassend einen inneren Magnetpol 3, einen äußeren Magnetpol 2 mit einer Polarität, die derjenigen des inneren Magnetpols 3 entgegengesetzt ist und der so angeordnet und gestaltet ist, daß er den inneren Magnetpol 3 umschließt, ein Target 5, welches zumindest oberhalb des inneren Magnetpols 3 angeordnet ist und sich von dort aus in der Ebene und in Richtung des äußeren Magnetpols 2 erstreckt, beide Magnetpole 2, 3 fixiert auf einer Rückplatte 6 aus permeablen Material. DOLLAR A Durch die Erfindung soll eine hohe über lange Zeit stabile Plasmadichte in Substratnähe erzeugt werden. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem der das Doppelmagnetron bildende Einzelmagnetrons die, jeweils in der Ebene des Targets gemessene magnetische Feldstärke des inneren Magnetpols 3 niedriger ist als die des äußeren Magnetpols 2, wobei der äußere Magnetpol 2 im wesentlichen aus hartmagnetischem Material, der innere Magnetpol 3 im wesentlichen aus Material mit einer hohen Permeabilität und in gleicher Weise wie die Rückplatte 6 zusammengesetzt ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Magnetron-Sputtereinrichtung zur
großflächigen, reaktiven plasmagestützten Abscheidung haupt
sächlich elektrisch isolierender Schichten auf Substraten
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die zu beschichtenden Substrate können dabei aus den unter
schiedlichsten Grundmaterialien bestehen und die unterschied
lichste geometrische Form haben. In der Praxis werden aber
hauptsächlich metallische Bänder oder ebene Glasscheiben als
Substrate in Frage kommen.
Sowohl für die Abscheidung von dielektrischen Schichtsystemen
für z. B. die Herstellung von wärmereflektierenden Glasscheiben
für Fenster, als auch zur großflächigen Beschichtung von me
tallischen Bändern mit lichtabsorbierenden Schichten zur Her
stellung von Solarabsorbern werden Magnetron-Sputterquellen
eingesetzt. Damit gelingt es in erforderlichem Umfang in den
Eigenschaften homogene und in der Schichtdicke gleichmäßige
Schichten auch auf großen Flächen abzuscheiden.
Bei bekannten Verfahren zum Beschichten von Substraten mit
Hilfe der Sputtertechnik und Materialien, die isolierende
Schichten bilden, besteht das Problem, daß neben dem Substrat
auch Teile der Einrichtung selbst mit diesem elektrisch nicht,
oder schlecht leitenden Materialien beschichtet werden, wo
durch der Prozeß instabil wird und elektrische Überschläge
auftreten.
Weiterhin ist die aus ökonomischer Sicht wünschenswerte Er
höhung der Produktivität derartiger Beschichtungsanlagen durch
die dann erforderliche hohe Beschichtungsgeschwindigkeit des
einzelnen Magnetrons begrenzt. Der übliche Ausweg ist die
Erhöhung der Anzahl der zur Abscheidung einer einzelnen
Schicht eingesetzte Magnetrons, bzw. eine Erhöhung der pro
Magnetron umgesetzten elektrischen Leistung. Beiden Maßnahmen
sind in der Praxis relativ enge Grenzen gesetzt.
So ist die Magnetronanzahl durch geometrische Größen festge
legt und die maximal anwendbare Leistung pro Target-Ober
flächeneinheit durch Werkstoffkenngrößen und die Kühlmöglich
keiten des Targets. Die gewünschte Produktivitätserhöhung der
Anlage ist somit nur erreichbar, wenn es gelingt, die spezi
fischen Eigenschaften der Einzelschichten, die jeweils an eine
bestimmte Schichtdicke gebunden sind, auch bei geringeren
Schichtdicken zu erreichen.
Das ist oftmals dann möglich, wenn die Schichten in ihrer
Struktur und ihrer Dichte den Werten des jeweiligen kompakten
Materials angeglichen werden. Ein Weg dazu ist die Schicht
abscheidung mit Unterstützung eines dichten Plasmas in Subs
tratnähe.
Die positiven Effekte des Plasmas, wie z. B. die Erhöhung des
Brechungsindex von 2,35 auf 2,55 bei den sehr häufig in der
optischen Beschichtung eingesetzten TiO2-Schichten wurden
bereits beschrieben (Zöllner: Plasmaunterstütztes Aufdampf
verfahren eröffnet neue Perspektiven in der Brillen- und Fein
optik, Vakuum in Forschung und Praxis 1997, Nr. 1, 19-24).
Die Ursache dafür ist eine Änderung der Gitterstruktur von
Anatase zu Rutil auch bei niedriger Beschichtungstemperatur.
Analog konnte gezeigt werden, daß bei SiO2 der Brechungsindex
von 1,48 auf 1,46 infolge einer dichteren Struktur sinkt
(Szyzbowski, Bräuer, Teschner, Zmelty: Large Scale Antire
flecting Coatings, PSE '96).
Es wurde weiterhin festgestellt, daß die Erhöhung der Schicht
dichte zur erhöhten elektrischen Leitfähigkeit, z. B. bei Sil
berschichten führt. Da mit dem Schichtwiderstand aber auch die
Emissivität metallischer Schichten ansteigt, gelingt es mit
dünneren Silberschichten gleiche Reflexionseigenschaften zu
erreichen und gleichzeitig die optische Transmission zu ver
bessern.
Oftmals ist die Magnetron-Entladung nicht primär zur Abstäu
bung von Targetmaterial eingesetzt, sondern dient als Plasma
quelle. Das ist jeweils dann der Fall, wenn eine nahezu voll
ständige Bedeckung des Targets mit Reaktionsprodukten erzwun
gen wird.
Üblicherweise ist die Sputterrate der Reaktionsprodukte gerin
ger als die des entsprechenden Targetmaterials. Mit wachsendem
Reaktivgasanteil sinkt die Sputterrate des Targetmaterials und
die in das Magnetron eingespeiste Leistung wird zunehmend im
Plasma umgesetzt. In diesem Falle der magnetronunterstützten
Plasma-CVD ist eine wesentliche, die Abscheidungsgeschwindig
keit bestimmende Größe die Plasmadichte in unmittelbarer Sub
stratnähe. Damit verbunden ist die Dichte der Radikale und
weiterer energiereicher Spezies, die für die Schichtabschei
dung verantwortlich sind.
In beiden Fällen, sowohl beim üblichen reaktiven Sputterprozeß
wie auch bei magnetronunterstützter Plasma-CVD, führt eine
Steigerung der Plasmadichte in unmittelbarer Substratnähe zu
einer Erhöhung der Beschichtungsproduktivität infolge ver
besserter Schichteigenschaften, bzw. einer höheren spezifischen
Schichtabscheidungsrate.
Es existieren eine Vielzahl von Methoden, die Plasmadichte
auch bei größeren Abständen vom Target zum Substrat zu er
höhen. Eine Gruppe von Methoden benutzt zusätzliche Plasma
quellen, neben dem Magnetron selbst (Hohlkatodenunterstützte
Sputtertechnik, Glühkatodenunterstützte Sputtertechnik, zu
sätzliche Mikrowellenentladung). Alle diese Methoden besitzen
den prinzipiellen Nachteil des hohen apparativen Aufwandes und
der damit verbundenen niedrigen Zuverlässigkeit der Einrich
tung und Langzeitstabilität der Prozesse.
Eine weitere Methode besteht darin, mit Gleichspannung betrie
bene Magnetrons magnetisch unbalanziert aufzubauen (Window,
Surf. Coat. Technol. 71 81995) 93, DE 40 17 112).
Dadurch wird eine erhebliche Steigerung der Plasmadichte auch
bei Abständen von einigen 10 cm vom Target erreicht, ohne daß
ein nennenswerten zusätzlicher apparativer Aufwand erforder
lich ist. Nachteilig hierbei ist allerdings, daß bei der
reaktiven Abscheidung isolierender Schichten die zur Aufrecht
erhaltung der Entladung erforderlichen Elektroden (Anode) im
Laufe des Abscheidungsprozesses gleichfalls isoliert, die
Entladung dadurch instabil wird und schließlich verlischt. Aus
diesem Grunde wird diese Methode bisher auch im wesentlichen
bei der Abscheidung von Metallschichten, bzw. metallisch leit
fähiger Verbindungsschichten eingesetzt (D. G. Teer, Surf.
Coat. Technol. 39 (1989) 565; W. D. Münz, D. Schulze, F. J. M.
Hauzer, Surf. Coat. Technol. 50 (1992) 169).
Eine Möglichkeit, den Nachteil der instabilen Anodenprozesse,
die beim reaktiven Sputtern mit dem gleichspannungsbetriebenen
Magnetron auftreten, zu vermeiden und langzeitstabil, ohne
häufige elektrische Überschläge und dadurch bedingte Prozeß
störungen die Abscheidung auch von dielektrischen Oxid
schichten zu realisieren, ist sowohl in der DD 252 205, wie
auch in EP 0 502 242 beschrieben. Diese Anordnung besteht aus
zwei parallel zueinander und im wesentlichen auf einer Ebene
liegenden Magnetrons, dem Doppelmagnetron, bzw. Twin-Magne
tron. Die beiden Einzelmagnetrons sind mit dem Ausgangstrans
formator einer Stromversorgungseinheit verbunden, die mit
Frequenzen im Bereich zwischen 20 . . . 100 kHz eine ihr Vorzei
chen wechselnde Spannung liefert.
Dadurch wird erreicht, daß jeweils ein Magnetron während einer
Spannungspolarität die Anode des Zweiten darstellt; nach Um
polung aber selbst sputtert und dadurch eine reine Targetober
fläche nach einer weiteren Umpolung als Anode zur Verfügung
steht.
Bei entsprechender Wahl der Frequenz wird erreicht, daß die
Ausbildung der Isolierschicht auf dem jeweiligen Target lang
samer verläuft, als die Umpolung stattfindet und dadurch ein
stabiler Anodenprozeß zur Verfügung steht.
Im Frequenzbereich bis zu ca. 1 MHz können die Ionen des Ent
ladungsplasmas dem wechselnden elektrischen Feld noch folgen.
Es kommt dadurch zu einer geringfügigen Erhöhung der Plasma
dichte, bzw. einer Ausdehnung des Bereiches des dichten Plas
mas vom Target weg und zu verbesserten Haftungsbedingungen der
Schichten auf den Substraten.
Der entscheidende Vorteil derartiger Einrichtungen ist die
Langzeitstabilität der Prozesse bei der reaktiven Zerstäubung
zur Abscheidung isolierender Schichten. Die erforderliche
deutliche Erhöhung der Plasmadichte an entfernten Substraten,
und damit die deutliche Einwirkung auf die Eigenschaften der
sich bildenden Schicht, sowie die Dichteerhöhung der Radikale
und energetischen Spezies in Substratnähe bei magnetron
gestützten-CVD Prozessen wird nur unvollkommen erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Doppelmagnetron-Sputterein
richtung anzugeben, die ohne hohen technischen Aufwand eine
hohe Plasmadichte in Substratnähe, insbesondere bei reaktiven
Sputterprozessen, bei denen die entstehende Schicht selbst
isolierend oder schlecht leitend ist, erzeugt und die gleich
zeitig über lange Zeiten stabil arbeitet.
Die Aufgabe wird bei einer mit Mittelfrequenzspannung ge
speisten Doppelmagnetron-Sputtereinrichtung der eingangs ge
nannten Art dadurch gelöst, daß bei jedem der das Doppelmagne
tron bildenden Einzelmagnetrons die jeweils in der Ebene des
Targets gemessene magnetische Feldstärke des inneren Magnet
pols niedriger ist, als die des äußeren Magnetpols.
Damit läßt sich mit geringem Aufwand eine hohe Plasmadichte in
Substratnähe bei großer Langzeitstabilität erreichen.
Die unterschiedliche Feldstärke der Magnetpole läßt in Fort
führung der Erfindung dadurch erreichen, daß der äußere
Magnetpol im wesentlichen aus hartmagnetischen Material, der
innere Magnetpol im wesentlichen aus Material mit einer hohen
Permeabilität und in gleicher Weise wie die Rückplatte zu
sammengesetzt ist.
Als hartmagnetisches Material wird bevorzugt SmCo, oder NdFeB
und als Material mit der hohen Permeabilität wird bevorzugt
St 37 verwendet, so daß eine besonders kostengünstige Reali
sierung der Erfindung möglich ist.
Zur Verhinderung von parasitären Entladungen außerhalb der
äußeren Magnetpole sind neben diesen angeordnete Bleche aus
Aluminium vorgesehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
In der zugehörigen Zeichnungsfigur ist schematisch der Quer
schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt.
Auf einer Trägerplatte aus Edelstahl 1 sind auf isolierenden
Zwischenstücken 4 zwei gleichartig gestaltete Einrichtungen,
bestehend aus jeweils äußeren Magnetpolen 2, inneren Magnet
polen 3, montiert auf Rückplatten 6 und Targetplatten 5, auf
gebaut.
Das Target selbst besteht aus Chrom. Die äußeren Magnetpole 2
sind aus jeweils einer Schicht quaderförmiger Permanentmagnete
aus NdFeB mit einem Querschnitt von 10 × 10 mm2 und einem
darüberliegendem Polschuh aus St 37 mit einem Querschnitt von
10 × 5 mm2 aufgebaut.
Die inneren Magnetpole 3 bestehen hingegen ausschließlich aus
einem Stück quaderförmigen Stahl St 37 mit einem Querschnitt
von 10 × 15 mm2.
Die äußeren Magnetpole 2 sind dabei derart angeordnet, daß
jeweils um den inneren Magnetpol 3 ein tunnelförmiger, ge
schlossener Magnetfeldring erzeugt wird. Im Beispiel ist der
Nordpol der Magnete der äußeren Magnetpole 2 auf der dem
darüberliegenden Target 5 zugewandten Seite angeordnet.
Zur Verhinderung von parasitären Entladungen außerhalb der
äußeren Magnetpole 2 sind Bleche aus Aluminium 7 mit einer
Dicke von ca. 3 mm vorgesehen.
Zwischen den beiden Einzelmagnetrons, zur magnetischen Ab
schirmung gegeneinander, wird ein weiterer quaderförmiger Stab
aus permeablen Material 8 eingesetzt.
Die beiden Einzelmagnetrons werden nunmehr mit einer nichtdar
gestellten Mittelfrequenz-Stromversorgung verbunden. Nach
Erzeugung der üblicherweise erforderlichen Umgebungsbe
dingungen für den Betrieb einer Magnetron-Sputterquelle, Er
zeugung eines niedrigen Gasdruckes in einer die Quelle um
gebenden abgeschlossenen Kammer, Einlaß eines prozeßtypischen
Gasgemisches, wird die Entladung gezündet und dadurch der
Sputtervorgang eingeleitet.
Bei einem typischen Gasdruck von ca. 5.10-2 mbar in einem
Ar/CH4-Gasgemisch werden auf ein Substrat 9, das im Abstand
von 100 mm vor dem Target angeordnet ist, und elektrisch auf
einem negativen DC-Potential von ca. -150 V liegt, Me:C-H
Schichten durch einen magnetronunterstützten Plasma-CVD Prozeß
abgeschieden. Auch bei einem erforderlichen geringen Metall
anteil in der Schicht von 15 at.% Cr, gelingt es, den Prozeß
langzeitstabil über mehrere Stunden mit konstanter Stöchiome
trie der Schicht, ohne störende Veränderungen der Targetbe
deckung und damit verbundenen Instabilitäten und arc-Entla
dungen bei einer hohen Schichtabscheidungsrate zu führen.
Gleichzeitig ist eine Ionenstromdichte am Substrat von 2
mA/cm2 einstellbar, die zur Ausbildung einer harten und kom
pakten Schicht führt.
1
Trägerplatte
2
äußerer Magnetpol
3
innerer Magnetpol
4
Zwischenstück
5
Targetplatte
6
Rückplatte
7
Blech
8
quaderförmiger Stab
9
Substrat
Claims (4)
1. Mit Mittelfrequenzspannung gespeiste Doppelmagnetron-Sput
tereinrichtung, bestehend aus zwei im wesentlichen in
einer Ebene parallel nebeneinander liegenden Einzelmagne
trons mit gleicher Magnetfeldrichtung, jeweils umfassend
einen inneren Magnetpol 3, einen äußeren Magnetpol 2 mit
einer Polarität, die derjenigen des inneren Magnetpols 3
entgegengesetzt ist und der so angeordnet und gestaltet
ist, daß er den inneren Magnetpol 3 umschließt, ein Target
5, welches zumindest oberhalb des inneren Magnetpols 3
angeordnet ist und sich von dort aus in der Ebene und in
Richtung des äußeren Magnetpols 2 erstreckt, beide Magnet
pole 2,3 fixiert auf einer Rückplatte 6 aus permeablen
Material, dadurch gekennzeichnet, daß
daß bei jedem der das Doppelmagnetron bildende Einzel
magnetrons die, jeweils in der Ebene des Targets gemessene
magnetische Feldstärke des innere Magnetpols 3 niedriger
ist als die des äußeren Magnetpols 2.
2. Mit Mittelfrequenzspannung gespeiste Doppelmagnetron-Sput
tereinrichtung nach Anspruch 1 dadurch ge
kennzeichnet, daß der äußere Magnetpol 2 im
wesentlichen aus hartmagnetischen Material, der innere
Magnetpol 3 im wesentlichen aus Material mit einer hohen
Permeabilität und in gleicher Weise wie die Rückplatte 6
zusammengesetzt ist.
3. Mit Mittelfrequenzspannung gespeiste Doppelmagnetron-Sput
tereinrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch ge
kennzeichnet, daß das hartmagnetische Material
SmCo, oder NdFeB ist und das Material mit der hohen Per
meabilität St 37 ist.
4. Mit Mittelfrequenzspannung gespeiste Doppelmagnetron-Sput
tereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß außerhalb der
äußeren Magnetpole 2 neben diesen Bleche 7 aus Aluminium
angeordnet sind.
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Publications (1)
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| DE1998127587 Ceased DE19827587A1 (de) | 1998-06-20 | 1998-06-20 | Einrichtung zur plasmagestützten Schichtabscheidung |
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