DE69516747T2 - Magnetron-Zerstäubungs-Verfahren und -Gerät - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetrons und Plasmaverfahren und mehr im einzelnen auf eine Anwendung solcher Verfahren zum Zerstäubungsauftrag dünner Materialfilme auf Substrate.
• Es gibt eine Anzahl von Prozessen in verschiedenen Anwendungen, die eine Plasmaerzeugung erfordern. Eine Beispiel ein Trockenätzverfahren, das bei der Herstellung von Halbleiterschaltkreisen und auch sonst eingesetzt wird. Ein weiteres Beispiel ist der Auftrag dünner Filme auf Substrate, der auch bei der Halbleiterschaltkreisfertigung und sonstwo eingesetzt wird. Ein kommerziell wichtiger Beschichtungsprozeß arbeitet mit einem großen Magnetron zum Aufbringen dünner Filme auf große Substrate wie beispielsweise Gebäude- oder Autoglas, wobei mehrere Materialschichten aufgebracht werden, um bestimmte optische Eigenschaften des Substrats zu definieren.
• Bei dieser und bei anderen Magnetronanwendungen ist es in hohem Maße wünschenswert, eine Steuerung der Ionenverteilung innerhalb des Plasmas aufrechterhalten zu können, da das Endprodukt, ob es nun aus einem Ätzvorgang, einem Zerstäubungsauftrag oder einem anderen Plasmaprozeß hervorgeht, durch diese Teilung beeinträchtigt wird. Bei dem Zerstäubungsauftrag dünner Filme auf große Substrate verursachen Schwankungen in der Plasmadichte über den Target entsprechende Schwankungen der Materialauftragsrate auf das Substrat. Da die meisten solchen Anwendungen verlangen, daß der aufgebrachte Film die gleiche Dicke über das gesamte Substrat mit sehr kleiner Toleranz aufweist, werden andere Maßnahmen getroffen, um eine gewisse Ungleichförmigkeit der Plasmadichte zu kompensieren, aber diese sind nicht immer so wirksam, wie es gewünscht wird. Des weiteren verändert sich das Plasmadichte Profil über dem Target oftmals während eines Dünnfilmauftrags oder eines anderen plasmaunterstützten Prozesses.
• Daher befaßt sich die Erfindung mit der Schaffung von Techniken zur Steuerung des Plasmas in einem Magnetron, das zum Auftragen von Filmen auf Substraten eingesetzt wird, um eine gleichförmige Dicke der aufgebrachten Filme herbeizuführen.
• Sie befaßt sich auch mit der Schaffung von Techniken zur Steuerung des Plasmas während des Prozesses des Zerstäubungsauftrags eines dielektrischen Films auf ein Substrat.
• Insgesamt befaßt sich die Erfindung mit der Verbesserung des Ausmaßes der Steuerung verschiedener Plasmaprozesse.
• Das US-Patent Nr. 5 106 474 beschreibt ein umlaufendes zylindrisches Magnetron mit einer Mehrzahl von Anoden; die an unterschiedliche elektrische Potentiale angeschlossen sind, um verschiedene Plasmabedingungen zu schaffen und die Gleichförmigkeit entlang der Kathodenlänge zu steuern. Es schlägt jedoch nicht den Betrieb der Anoden in einer zeitlichen Folge vor, wie es nach der Erfindung erforderlich ist.
• Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung innerhalb einer Vakuumkammer zum Zerstäubungsauftrag eines dünnen Materialfilms auf einem Substrat vorgesehen, das auf einer Bahn hindurchbewegt wird, mit:
• einer Einrichtung zur Verwendung in einer Vakuumkammer zum Zerstäubungsauftrag eines dünnen Materialfilms auf ein Substrat, das auf einer Bahn hindurchbewegt wird, mit:
• einer Targetfläche mit einer länglichen Achse, die quer zur Substratbahn verlaufend orientiert ist, wobei Magnete der Substratbahn zugewandt sind und die Targetfläche auf einer negativen Spannung gehalten wird, wodurch eine Auftragszone zwischen dem Target und der Substratbahn definiert wird, die sich entlang der Targetlänge erstreckt, und
• Mitteln einschließlich einer Anode benachbart zur Targetfläche, die mit einer positiven Spannung von einer Stromquelle verbunden sind, um über der Auftragszone ein Auftragsratenprofil des Materials auf dem Substrat einzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einstellen des Auftragsratenprofils zwei oder mehr getrennte Anoden umfassen, die in Richtung der Targetflächenlängsachse voneinander getrennt gehalten werden, und Mittel zum zeitlich sequentiellen Betreiben der Anoden aufweisen.
• Allgemein sind die Anoden in einer solchen Weise positioniert und elektrisch betrieben, daß das dichte Profil über mindestens eine Richtung des Magnetronplasmas gesteuert wird. Bisher wurde der Rolle einer Magnetronanode in Bezug auf die Plasmaverteilung relativ wenig Beachtung geschenkt, insbesondere bei der Anwendung zum Zerstäubungsauftrag von dielektrischem Material, wo diese Verteilung sich während der Ausführung des Prozesses verändern. Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung werden mehrere kleine Anoden an gesonderten Stellen angebracht und an unabhängig steuerbare Stromquellen angeschlossen. In jedem Fall werden die Anoden mindestens in einer Richtung sehr klein gemacht, in welcher das plasmadichte Profil zu steuern ist, aber sie müssen noch groß genug sein, um die Menge des von ihnen geführten elektrischen Stroms entsprechend zu beherrschen. Die Erfindung ermöglicht die Formung und Steuerung des Plasmadichteprofils in einer solchen Weise, daß Einstellungen während eines Ätz-, Zerstäubungs- oder sonstigen Prozesses gemacht werden können, der von einem Magnetron durchgeführt wird. Die Fähigkeit zur Steuerung des Profils während eines Prozesses ist besonders vorteilhaft, wenn dielektrische Filme aufgebracht werden, weil die Anodenoberflächen wie alle anderen Oberflächen innerhalb der Magnetronkammer während des Fortschreitens des Prozesses mit dem Dielektrikum beschichtet werden.
• Gemäß der Erfindung werden zwei oder mehr solcher kleiner Anoden mit Bezug auf die Kathode positioniert, um ein Plasmadichteprofil zu schaffen, das so nahe wie möglich dem gewünschten entspricht. Der elektrische Strom zu den Anoden wird für jede Anode oder Anodengruppe gesondert gesteuert. Bei einer Ausführungsform werden die relativen Mengen des von jeder der Anoden geführten Stroms gesteuert. Bei einer ande ren Ausführungsform werden zwei oder mehr Anoden jeweils einzeln sequentiell mit einer Stromquelle mit einer Rate verbunden, die bei einem gegebenen Prozeß hoch genug ist, damit das Substrat über eine gewisse Zeit ein mittleres Plasmadichteprofil sieht. Beide diese Techniken ermöglichen ein Einstellen des Plasmaprofils in einer Weise, daß das Profil während eines Prozesses verändert werden kann, um sich ändernde Bedingungen zu kompensieren, die während des Prozesses auftreten. Beim Zerstäubungsauftrag dünner Filme aus dieleketrischen Materialien ermöglichen diese Techniken die Kompensation ungünstiger Wirkungen der fortschreitenden Beschichtung der Anodenoberflächen mit dem zerstäubten dielektrischen Material.
• Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun lediglich beispielshalber auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen zeigt:
• Fig. 1 schematisch ein Gerät und ein Verfahren nach dem Stand der Technik zum Dünnfilmzerstäubungsauftrag,
• Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch das Zerstäubungsauftragsgerät nach Fig. 1 längs der Linie 2-2,
• Fig. 3 in mehreren verschiedenen Kurven verschiedene Auftragsratenprofile über einer Auftragszone der Einrichtung nach Fig. 1,
• Fig. 4 die Verwendung einer einzigen kleinen Anode nicht nach der Erfindung,
• Fig. 5 die Verwendung von zwei oder mehr kleinen Anoden mit variablen Gaszufuhren, nicht nach der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 6 ein System mit zwei oder mehr kleinen Anoden, deren elektrische Stromzufuhr unabhängig gesteuert wird und die der vorliegenden Erfindung entsprechend mit einer Stromsteuerung nach Fig. 7 betrieben werden,
• Fig. 7 eine Ausführungsform der Stromsteuerung nach Fig. 6,
• Fig. 8 eine bevorzugte Bauart und Anordnung von Anoden zur Ausführung der in den Fig. 3, 4, 6 und 7 dargestellten Aspekte der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 9 die Verwendung elektrisch gesteuerter mechanischer Schirme über den Oberflächen von zwei oder mehr kleinen Anoden,
• Fig. 10A eine Draufsicht auf ein ebenes Magnetron, bei welchem mehrere kleine Anoden nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und
• Fig. 10B eine Seitenansicht des ebenen Magnetrons nach Fig. 10A.
• Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen Zerstäubungsauftragsprozesses und der dabei verwendeten Ausrüstung. Das dargestellte Magnetron gehört einer Bauart an, die eine Kathode 11 mit länglicher zylindrischer Form aufweist, die durch einen Elektromotorantrieb 13 mit gleichförmiger Drehzahl um eine Achse 15 gedreht wird. Auf der zylindrischen Außenfläche trägt die Kathode 11 eine Schicht aus Targetmaterial 17, das während des Auftragsprozesses weg zerstäubt wird.
• Ein Substrat 19 wird entlang einer Bahn bewegt, die senkrecht zur Drehachse 15 der Kathode 11 verläuft. Das Substrat wird in einer Richtung längs der Bahn durch irgendeinen geeigneten Mechanismus bewegt, beispielsweise durch Tragrollen 21, die durch einen elektrischen Antriebsmotor 23 angetrieben werden. Eine längliche Permanentmagnetstruktur 25 ist innerhalb der Kathode 11 positioniert und weist zu dem beschichteten Substrat 19 hin. Die Magnetstruktur 25 dreht sich nicht mit dem Target 11 mit, jedoch kann ihre stationäre Position häufig etwas drehend justiert werden. Die Magnetstruktur 25 enthält entlang ihrer Länge durchgehend Magnete. Diese Länge bestimmt die Breite einer Auftragszone. Die Breite des Substrats 19 ist maximal geringfügig kleiner als die Länge der Magnetstruktur 25.
• Der Auftragsprozeß findet in einer Vakuumkammer statt, die im allgemeinen durch metallene Wände gebildet ist, die in Fig. 1 schematisch durch die gestrichelte Linie 27 angedeutet ist. Eine Vakuumpumpe 29 hält den Druck in der Kammer auf einem niedrigen Wert entsprechend dem durchgeführten Prozeß. Prozeßgas wird durch ein Rohr 31 oder eine andere Leitungsform aus einer Versorgung 33 zur Targetoberfläche 17 zugeführt. Das Rohr 31 hat bei einer Ausführungsform entlang seiner Länge dem Target 17 zugewandte Löcher, um das direkt in eine Auftragszone 35 (Fig. 2) zwischen der Targetoberfläche 17 und dem Substrat 19 zuzuführen. Ein zweites ähnliches Gaszufuhrrohr kann auf der gegenüberliegenden Seite der Kathode 11 angeordnet sein. Alternativ können auch andere Gaszufuhrtechniken Anwendung finden.
• Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Magnetronkategorie wird elektrisch durch eine Gleichstromquelle 37 gespeist. Andere Magnetronkategorien arbeiten mit verschiedenen Formen und Wechselstrom oder gepulstem Strom. Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung sind auch bei jenem Magnetrontyp anwendbar. Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Typ ist die Kathode 11 jedoch mit einer negativen Spannung gegenüber derjenigen der Kammerwände 27 verbunden, die im allgemeinen auf Massepotential gehalten werden. Das für das Target 17 verwendete Material wird ebenfalls elektrisch leitend gemacht, so daß die Außenoberfläche des Targetmaterials auch auf einer negativen Spannung gehalten wird.
• Sehr oft werden die Innenflächen der metallischen Vakuumkammerwände 27 als Anode für das Zerstäubungsgerät verwendet. In diesem Fall werden die Wände immer noch auf Massepotential gehalten. Alternativ dazu benutzen andere eine gesonderte Anode 39, die auf einer der Kathode 11 gegenüberliegenden Seite der Auftragszone 35 positioniert ist. Die Anode 39 wird dann durch Anschluß an eine Stromquelle 37 auf einer positiven Spannung gehalten.
• Um in der Lage zu sein, Filme mit gleichförmiger Dicke über die Breite des Substrats 19 aufzutragen, muß die Rate des Materialauftrags über dem Substrat gleichförmig sein. Eine solche Gleichförmigkeit ist durch eine durchgezogene Linie 41 in Fig. 3 dargestellt. Eine solche gerade Linie wird nicht durch den Auftragsprozeß selbst erreicht, sondern vielmehr wird ein Auftragsratenprofil erhalten, das mehr demjenigen ähnlich ist, wie es durch die gestrichelte Kurve 43 dargestellt ist. Es ist übliche Praxis, die Verteilung entlang der Länge der Kathode 11 durch Verwendung von Trimmschirmen 45 und 47 auf beiden Seiten der Auftragszone 35 zu modifizieren. Die Trimmschirme definieren tatsächlich die Auftragszone 35. Die Schirme werden von dem System elektrisch isoliert gehalten und sind so geformt, daß sie eine schmalere Öffnung im mittleren Bereich der Länge der Kathode 11 haben, um die Auftragsrate auf das Substrat 19 zu drosseln, und eine breitere Öffnung an beiden Enden. Die Verwendung von Trimmschirmen kann ein Auftragsratenprofil der Form der Kurve 43 (Fig. 3) zu einer gewissen Annäherung an die gewünschte geradliniege Funktion der Kurve 41 modifizieren. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß Material, das auf das Substrat 19 aufgetragen werden könnte, stattdessen auf den Schirmen 45 und 47 aufgetragen wird, was die mögliche Geschwindigkeit verringert, mit welcher das Substrat 19 durch die Vakuumkammer bewegt werden kann, um die gewünschte Materialschichtdicke zu erhalten.
• Im Betrieb erzeugt die Anwesenheit eines durch das Rohr 31 eingeleiteten geeigneten Gases und die negativen und positiven Spannungen am Target 17 bzw. an der Anode 39 ein Plasma in der Auftragszone 35, das weitgehend durch die Magnetstruktur 25 im Target 11 definiert wird. Ein weiteres Plasma wird angrenzend an die Anode 39 gebildet, und die beiden Plasmen sind durch noch eine weitere Plasmaregion zwischengekoppelt. Freie Elektronen und Ionen innerhalb des Plasmas in der Auftragszone 35 beschießen die Targetoberfläche 17 und schlagen Atome aus dieser Oberfläche heraus. Als Alternative oder Ergänzung zur Verwendung der Trimmschirme 45 und 47 haben andere die relativen Mengen von reaktivem Gas gesteuert, das entlang der Länge des Target 17 eingeleitet wird, beispielsweise durch Erzeugen einer größeren Strömung an den Enden des Target 17 als in dessen Mitte. Eine solche Steuerung der Reaktivgasverteilung über dem Target kann auch dazu verwendet werden, in gewissem Maße das Auftragsprofil über dem Substrat einzustellen.
• Wenn das durch das Rohr 31 in die Auftragszone eingeleitete Prozeßgas ein Inertgas ist, ist das auf dem Substrat 19 aufgetragene Material dasjenige des Targets 17. Es ist üblich, dünne Metallschichten nach dieser Technik aufzutragen, beispielsweise Aluminium, Zink, Titan und viele andere, entweder alleine oder zusammen. Das Target 17 ist aus dem aufzutragenden Material plus möglicher kleiner Mengen anderer Materialien hergestellt, die notwendig sind, um dem Target 17 die erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu geben.
• Der gleiche grundsätzliche Prozeß wird auch zum Auftragen dielektrischer Filme auf dem Substrat 19 angewendet, wie beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitride, Aluminiumoxid, Titandioxid und dgl. In diesen Situationen besteht das Target 17 aus der Metallkomponente des dielektrischen Films, und das Prozeßgas, das durch das Rohr 31 zugeführt wird, liefert die andere Komponente. Bei solchen Prozessen ist das Prozeßgas im allgemeinen reiner Sauerstoff, wenn Oxidfilme aufgetragen werden, reiner Stickstoff, wenn Nitridfilme aufgetragen werden, und besteht sowohl aus Sauerstoff und Stickstoff, wenn Oxinitridfilme aufgetragen werden, usw. Die Gasatome kombinieren reaktiv mit Metallatomen, die aus dem Target 17 zerstäubt werden, und bilden den dielektrischen Film. Ein Edelgas oder eine Kombination von Edelgasen kann mit den reaktiven Gasen gemischt sein.
• Es ist der Auftrag dielektrischer Materialien, der die größte Herausforderungen bei einem solchen Prozeß erzeugt. Dies liegt daran, das dielektrische Material nicht nur auf dem Substrat aufgetragen wird, sondern auch auf jeder anderen Oberfläche innerhalb der Vakuumkammer. Dies beeinträchtigt den Betrieb eines Gleichstrommagnetrons während der Zeit des Auftrags stark. Dabei ist die Ablagerung von dielektrischem Material auf den elektrisch geladenen Oberflächen höchst bedeutsam. Dielektrisches Material, das auf der Targetoberfläche 17 abgelagert wird, stellt im allgemeinen kein Problem dar, da seine Drehung durch die Auftragszone 35 das Wegzerstäuben irgendwelchen solchen dielektrischen Materials von dieser Fläche bewirkt. Dies ist ein Grund, warum bei solchen Prozessen eine Magnetronbauart mit umlaufender zylindrischer Kathode favorisiert wird. Bei einem ebenen Magnetron wird auch dielektrisches Material über seiner ebenen Kathoden/Target-Oberfläche abgelagert, wird aber nur im "Laufbahn"-Bereich des Targets weg zerstäubt. Andere Bereiche des Targets werden mit dem Dielektrikum beschichtet, was möglicherweise Lichtbogenbildung verursacht, was die Fortsetzung des Prozesses unterbrechen kann.
• Obwohl der Überwindung dieses Effekts der Ablagerung dielektrischen Materials auf der Kathoden/Target-Oberfläche viel Aufmerksamkeit geschenkt worden ist, ist der Auswirkung einer solchen Ablagerung auf der Anodenoberfläche, den zweiten elektrisch geladenen Element in dem System, relativ wenig Beachtung geschenkt worden. Der Zweck der Anode ist das Sammeln von Elektronen. Bei einem Gleichstromsystem kann die Beschichtung der Anode mit dielektrischem Material dies sehr schwierig machen. Die Beschichtung der Anode beeinträchtigt auch das Auftragsratenprofil über der Breite des Substrats. Falls die gesamte Innenseite der Metallwände 27 der Vakuumkammer (ohne die gesonderte Anode 37 in Fig. 1) die Anode des System bildet, ist dieser Effekt höchst ausgeprägt. Dieser große Oberflächenbereich wird während des Auftragsprozesses ungleichmäßig mit dem Dielektrikum beschichtet, und dies führt anscheinend dazu, daß die wirksame Anodenfläche sich innerhalb der Kammer herumbewegt. Die Elektronen werden von dem Bereich oder den Bereichen dieser ausgedehnten Anoden oberfläche angezogen, welche die dünnste Dielektrikumbeschichtung haben, und dieser Bereich kann sich verändern, während der Prozeß fortschreitet.
• Die resultierende Verlagerung des Anodenplasmas entlang der Innenseite der Kammer beeinträchtigt, wie sich gezeigt hat, das Dichteprofil über dem Kathodenplasma innerhalb der Auftragszone 35. Eine extreme Auswirkung auf dieses Profil ist durch die gestrichelte Kurve 49 in Fig. 3 dargestellt. Eine Neugestaltung der Trimmschrime 45 und 47 hilft nicht, das gleichförmige Profil der Kurve 31 zu erhalten, da die Verteilung der Kurve 59 sich während des Prozesses weiter verändert. Dies wird durch die effektive Anodenoberfläche verursacht, die sich entlang der inneren Kammerwände bewegt. Die Verwendung der in Fig. 1 gezeigten gesonderten Anode 39 verringert diese Veränderungen etwas, da die Fläche, über welche sich die effektive Anode bewegt, viel kleiner ist, aber die resultierenden Profilveränderungen im Verlauf eines Zerstäubungsprozesses sind immer noch unerwünscht, wo Filme gleichmäßiger Dicke über dem Substrat erforderlich sind. Dieser Effekt wird stark vergrößert, wenn die Substrate groß sind, wie das bei Gebäude- oder Fahrzeugglas in Betracht zu ziehen ist, die leicht ein, zwei oder mehr Meter Breite haben können. Die Breite der Auftragszone 35 muß daher mindestens ebenso groß sein.
• Diese dynamische Profilverschiebung während des Auftrags dielektrischer Filme kann durch Verringerung der Größe der effektiven Anodenoberfläche eliminiert werden. Gemäß Fig. 4 ist die größere Anode 39 in dem System nach Fig. 1 durch eine sehr kleine Anode 51 ersetzt. Die freien Elektronen haben dann eine stark verringerte Fläche, über welcher sie nach der kleinsten dielektrischen Filmdicke suchen können. Es ist die Abmessung "D" der Anode 51, die in Richtung parallel zur Drehachse 15 der Kathode verläuft, welche die wichtigste Richtung ist. Da das Auftragsratenprofil in dieser Richtung gesteuert werden muß, ist es äußerst wichtig, daß die Abmessung der Anode 51 in dieser Richtung sehr klein gehalten wird. Die Bewegung des Anodenplasmas in dieser Richtung wird daher beschränkt, wodurch der in der Kurve 49 der Fig. 3 dargestellte Effekt eliminiert wird. Die Abmessung der Anode 51 in einer Richtung orthogonal zur Achse 15 ist nicht so wichtig, wenn sie in dem System nach Fig. 1 eingesetzt wird, aber könnte gleichermaßen bedeutsam sein, wenn die Plasmadichte auch in dieser orthogonalen Richtung gesteuert werden soll.
• Die Größe der Anode 51 muß jedoch ausreichend groß sein, um den elektrischen Strom zu beherrschen, den sie führen soll. Wenn sie für den elektrischen Stromwert zu klein gemacht wird, wird die Anode 51 durch Überhitzung beschädigt. Die maximale Abmessung "D", die wünschenswert ist, beträgt 8 cm, unabhängig von der Länge der Kathode 11, und vorzugsweise weniger als 3 cm.
• Obwohl die einzige kleine Anode 51 das Problem des sich verändernden Auftragsprofils während des Auftrags dieleketrischer Materialien löst, muß sie notwendigerweise über der Mitte der Länge der Kathode 11 positioniert werden, damit sie nicht dazu führt, daß das Auftragsprofil 43 (Fig. 3) ein gewisses Maß an Asymmetrie erhält. Dies wiederum bewirkt, daß die Auftragsrate in dem Metallabschnitt entlang der Länge der Kathode 11 sich weiter relativ zur Auftragsrate zu den Enden hin steigert. Obwohl die Trimmplatten 45 und 47 derart neu geformt werden können, daß das Substrat 19 eine gleichförmige Auftragsrate über seiner Breite erhält, würde dies den Durchsatz des Systems noch weiter reduzieren.
• Wie in Fig. 5 dargestellt ist, können zwei solche kleinen Anoden 53 und 55 an gegenüberliegenden Enden der Kathode 11 positioniert werden. Die Stromversorgung 57 verbindet jede dieser Anoden mit dem gleichen konstanten Spannungspegel. Die Auswirkung dieser Positionierung liegt darin, daß das Auftragsratenprofil an den Enden der Kathode 11 angehoben wird, während es in der Mitte abgesenkt wird, wodurch es gleichmäßiger gemacht und die Rolle, welche die Trimmschirme 45 und 47 spielen müssen, verringert wird. Es können Umstände gegeben sein, wo es wünschenswert ist, das Auftragsratenprofil auch dann zu verändern, wenn Metalle aufgetragen werden. Das Profil kann wegen der Form der Vakuumkammer und der Verteilung ihrer Komponenten verzerrt sein, also wegen Wirkungen, die eine einmalige Einstellung benötigen. Das Profil kann sich auch mit der Zeit während eines länger dauernden Auftragsprozesses verändern, weil einige Parameter sich verändern. Wenn Dielektrika aufgetragen werden, kann die Verwendung zweier beabstandeter Anodenoberflächen beträchtliche Veränderungen des Auftragsratenprofils längs der Länge der Kathode 11 bedingen. Zuerst wird eine der beiden Anoden 53 und 55 die wirksame Anode, und dann die andere.
• Daher ist das System nach Fig. 5 zum individuellen Steuern des elektrischen Strompegels vorgesehen, den jede der Anoden 53 und 55 aufnimmt. Dies wird durch Einleiten des Prozeßgases an diesen Anodenflächen anstatt in die Auftragszone 35 bewerkstelligt, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Keramische Düsen 59 und 61 sind jeweils neben den Oberflächen der Anoden 53 und 55 positioniert. Gas aus der Quelle 33 wird zu jeder dieser Düsen durch entsprechende, elektrisch gesteuerte Strömungsregler 63 und 65 zugeführt. Ein elektronisches System 67 betätigt diese Ventile und steuert daher die relative Gasmenge, die zu jeder der beiden Anoden zugeführt wird. Diese Mengen können vom Benutzer durch eine Schnittstellenschaltung 69 eingestellt werden, um vorgegebene Ströme durch jede der Anoden 53 und 57 aufrechtzuerhalten, die mittels eines Steuerkreises 71 von der Stromversorgung 57 zurückgeführt werden. Wenn die Gasströmungen so gehalten werden, daß jede der beiden Anodenströme gleich und zeitkonstant gehalten werden, führt der ungleichmäßige Aufbau von Dielektrika auf den beiden Anodenoberflächen nicht zu einer Veränderung des Auftragsratenprofils. In Abhängigkeit des Erfassens einer Gleichgewichtsstörung im Strom bewirkt die Stromversorgung 57 eine Einstellung der Gasströmungen zur Wiederherstellung des Stromgleichgewichts in einem Regelsystem mit geschlossener Regelschleife. Dies vermeidet unerwünschte Auftragsratenpro filveränderungen über der Zeit. Des weiteren kann die Steuerschaltung 67 so eingestellt werden, daß sie absichtlich mit ungleichmäßigen, aber festen Strömen durch jede der beiden Anoden 53 und 57 arbeitet, um eine Einstellung des Auftragsratenprofils vorzunehmen, die über einen langen Auftragsprozeß aufrechterhalten wird.
• Wie bekannt ist, bewirken die zu einem Magnetron gehörenden Magnetfelder, daß die Elektronen sich in einem vorgegebenen Strömungsmuster um die Kathode 11 bewegen. Das System nach Fig. 5 arbeitet am besten, wenn die Gasdüsen 59 und 61 neben einem Rand der betreffenden kleinen Anode 53 und 55 positioniert werden, gegen welchen dieser Elektronenstrom gerichtet ist.
• Eine solche Einleitung des Prozeßgases steuert vermutlich die Anodenströme, weil die Gasströme örtliche Hochdruckregionen neben den Anoden erzeugen. Da die Anoden keine daneben positionierten Magnete aufweisen, begünstigt die Schaffung eines höheren Drucks als dem Umgebungsdruck innerhalb der Vakuumkammer vermutlich ein intensiveres gutes Anodenplasma.
• Gemäß Fig. 6 werden nun die elektrischen Techniken zum Bewerkstelligen der gleichen Ergebnisse beschrieben, die kein einstellbares Gassystem nach der Ausführungsform nach Fig. 5 benötigen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 wird Prozeßgas in die Kammer in irgendeiner üblichen Weise eingeleitet, beispielsweise wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die gleichen kleinen Anoden 53 und 55 sind nunmehr an eine verschiedene elektrische Stromversorgung 73 angeschlossen, die gemäß der Erfindung durch ein Steuersystem 75 unter dem Einfluß von vom Benutzer eingestellten Parametern gesteuert wird, die über eine Schaltung 77 zugeführt werden. Eine Ausführungsform der Stromversorgung 73 ist in Fig. 7 dargestellt, wobei der Strom abwechselnd synchron zu jeder der kleinen Anoden 53 und 55 ein- und ausgeschaltet wird. Die Stromversorgung wird tatsächlich zwischen den beiden Anoden umgeschaltet. Dies hat den Vorteil, daß in jedem Augenblick nur eine Anodenoberfläche an die Stromversorgung angeschlossen ist und daher nur ein Platz zur Aufnahme freier Elektronen vorhanden ist. Daher hat dieses System den Vorteil des Einfachanodensystems nach Fig. 4 insoweit, als der Betrieb des Systems mit aufzutragenden dielektrischen Materialien betroffen ist. Aber weil zwei solcher Anoden verwendet werden, hat diese Ausführungsform auch den Vorteil, daß sie in der Lage ist, auch sonst das Auftragsratenprofil zu steuern.
• Um dann wieder auf Fig. 7 Bezug zu nehmen, die sich wiederholgenden Ein- und Aus-Zyklen des Stroms zu den beiden Anoden werden auf gewissen Weisen gesteuert. Die Anode 55 hat eine "Ein"-Zeit 91, während welcher die Anode 53 eine "Aus"-Zeit 93 hat. Umgekehrt ist im nächsten Zyklus die Anode 53 an die Stromversorgung während einer Zeit 95 angeschlossen, während welcher die Anode 55 während einer Zeit 97 ausgeschaltet ist. Wie man sieht, überlappen sich die Perioden, während welcher jede der Anode eingeschaltet ist, sich um ein kleines Maß überlappen. D. h., beide Anoden sind im Zeitpunkt des Umschaltens von einer zur anderen mit der Stromversorgung verbunden, um sicherzustellen, daß ein Anodenplasma aufrechterhalten wird. Ein Schaltzyklus hat eine Periode t. Die Überlappungszeit wird kleiner als ein Hundertstel (1/100) von t gemacht. Eine typische Überlappungsdauer beträgt etwa 100 Mikrosekunden.
• Man erkennt, daß das Auftragsratenprofil der in Fig. 3 gezeigten Art ganz anders ist, wenn eine Anode erregt ist, als wenn die andere erregt ist. Daher findet das Umschalten schnell genug statt, so daß mindestens einige Zyklen stattfinden, während irgendein Teil des Substrats sich in der Auftragszone befindet. In Bezug auf Fig. 2 ist anzumerken, daß eine Linie über die Breite des Substrats, während dieses sich an der Kathode 11 vorbeibewegt, über eine gewisse Zeit in der Auftragszone 35 verbleibt. Es ist wünschenswert, daß fünf oder mehr Zyklen t während der Zeit stattfinden, welche diese Linie des Substrats 19 zum Durchqueren der Auftragszone 35 benötigt. Diese Linie sieht dann einen Mittelwert des schwin genden Auftragsratenprofils über viele Zyklen mit dem gleichen Ergebnis, als wenn das Profil während des Hindurchwandern der Linie durch die Auftragszone konstant bliebe. In der Praxis wird die Frequenz des Schaltzyklus so gewählt, daß 8 bis 10 Zyklen t oder mehr stattfinden, während irgendein Teil des Substrats sich innerhalb der Auftragszone befindet.
• Die Zeitfolgeschaltung der Anoden löst das mit dem Auftrag dielektrischer Materialien verbundene Problem. Diese Technik ermöglicht auch, daß die Profileigenschaften der in Fig. 3 dargestellten Art permanent modifiziert werden, indem die relativen Ein-Zeiten eingestellt werden, während welcher jede der Anoden mit der Stromquelle 73 verbunden ist. Das bedeutet, daß anstatt gleicher "Ein"-Zeiten 91 und 95 (Fig. 8), wie dargestellt, eine kürzer als die andere sein kann, um irgendwelche systembedingte Ungleichmäßigkeiten im Auftragsratenprofil in Bereichen neben den beiden Anoden zu kompensieren. Diese relativen "Ein"-Zeiten können auch während des Autragsprozesses verstellt werden, um Veränderungen, die während des Prozesses auftreten, zu kompensieren.
• Obwohl zwei Anoden als Basis für die Erläuterungen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Fig. 5 bis 7 verwendet werden, können auch zusätzliche Anoden eingesetzt werden. Bei der Zeitfolgeschaltungsausführung nach Fig. 7 wird jede Anode sequentiell eingeschaltet, während alle anderen sich im Auszustand befinden, mit Ausnahme einer kleinen Überlappung mit dem Schalten der nächsten Anode in der Reihe gerade bevor die augenblickliche Anode ausgeschaltet wird.
• Des weiteren brauchen die Anoden nicht notwendigerweise plattenförmig mit horizontal orientierten Oberflächen zu sein. Fig. 8 zeigt die Verwendung von vier Anoden 101, 103, 105 und 107, die sich entlang der Länge der Kathode 11 erstrecken. Diese Anoden sind jeweils aus einer großen Anzahl von Drahtsegmenten gebildet, die von einem länglichen Kern aus auswärts verlaufen, an dem sie befestigt sind, und diese Kerne sind in einer zur Drehachse 15 der Kathode 11 senkrech ten Richtung länglich. Die Enden dieser Drähte bilden eine Zylinderform, deren Kern längs der Zylinderachse positioniert ist. Der Aufbau und die Wirkungsweise solcher Drahtbürstenanoden ist in unserer europäischen Patentschrift Nr. 632 142 vollständiger beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme hier einbezogen wird.
• Da es sich um einen üblichen Zerstäubungsauftrag handelt, geht die vorstehende Beschreibung davon aus, daß eine gleichförmige Auftragsrate aufrechtzuerhalten ist. Das Material wird dann auf einer flachen Substratoberfläche in einer Schicht mit gleichförmiger Dicke aufgebracht. Jedoch gibt es auch Anwendungsfälle, wo eine gewisse Veränderung der aufgetragenen Schichtdicke gewünscht wird. Die Anodensteuertechniken der vorliegenden Erfindung macht es leichter, Schichten aufzubringen, die einen gewissen vorgegebenen Dickengradienten über der Substratbreite haben. Das Auftragsratenprofil wird durch Einstellen der Eigenschaften der getrennten Anoden so gesteuert, daß man ein ungleichförmiges, aber gesteuertes Auftragsratenprofil erhält. Es gibt auch Anwendungsfälle, wo das Substrat nicht eben ist, beispielsweise bei einer Autowindschutzscheibe. Ein Teil der Windschutzscheibenoberfläche, die beschichtet wird, wölbt sich nach oben zur Kathode hin und kann sogar im wesentlichen direkt nach oben verlaufen. In diesem Fall wird das Auftragsratenprofil absichtlich ungleichförmig gemacht, um Schichten gleichförmiger Dicke über das gesamte Substrat zu erhalten.
• Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Anoden oberhalb des beschichteten Substrats positioniert. Irgendwelche Teilchen, die von den Anoden sich während des Auftragsprozesses lösen, werden an einem Erreichen des Substrats gehindert, in dem ein Korb oder eine sonstige Barriere unter der Anode angeordnet wird. Dies ist eine weithin eingesetzte Technik, so daß Sperren in den Zeichnungen nicht dargestellt sind. Alternativ dazu können die Komponenten des Magnetrons umgekehrt werden, d. h. das Substrat kann oberhalb der Kathode bzw. des Targets und die Anoden können darunter positioniert werden. Aus den Anoden ausbrechende Teilchen fallen dann von dem Substrat weg.
• Obwohl nicht bevorzugt, können die gleichen vorteilhafte Ergebnisse, wie oben beschrieben, auch durch ein mechanisches System erhalten werden. In Fig. 9 werden zwei kleine Anoden 119 und 121 mit Bezug auf die Länge des Targets 17' feststehend gehalten. Jedoch ist jede mit einem betätigbaren Schirm versehen, der zwischen der Anode und der Targetoberfläche 17' positioniert ist; es sind Schirme 123 und 125 dargestellt. Entsprechende Motoren 127 und 129 unter der Steuerung eines elektronischen Schaltkreises 131 bewegen die Schirme 123 und 125 einzeln. Diese Schirme 123 und 125 können vollständig über ihre jeweiligen Anoden 119 und 121 positioniert werden, können vollständig aus dem Weg bewegt werden, oder können teilweise dazwischen gehalten werden. Wenn jeder der Schirme 123 und 125 einen Teil der jeweiligen Anode freilegt, so daß die Ströme zu den beiden Anoden konstant gehalten werden, wird das System nach Fig. 9 zu einem mechanischen Analog zu demjenigen, das mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben wurde. Andererseits, wenn die Schirme 123 und 125 sequentiell betätigt werden, so daß nur eine der Anoden jeweils freiliegt (mit Ausnahme einer kleinen Überlappung, wenn eine kurz nach dem Öffnen der anderen verdeckt wird), ist ein mechanisches Analog des mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 beschriebenen Systems das Ergebnis.
• Obwohl die verschiedenen Ausführungsformen oben im Zusammenhang mit einem System mit einer einzigen umlaufenden zylindrischen Kathoden- und Targetbaugruppe beschrieben worden sind, kann die Erfindung auch bei anderen Konfigurationen Anwendung finden. Einige Zerstäubungssysteme beispielsweise arbeiten mit zwei oder mehr zylindrischen Targets innerhalb einer einzigen Vakuumkammer, wobei ihre Drehachsen parallel zueinander orientiert sind. In einem solchen Fall kann jede der zylindrischen Kathoden mit einer zweifachen Anodenkonstruktion nach einer der beschriebenen Ausführungsformen ausgestattet sein, wobei die Stromzuführungen und Steuersysteme beiden zylindrischen Targets gemeinsam sind. Alternativ können zwei oder mehr umlaufende zylindrische Kathoden gemeinsam ein einziges Anodensystem haben.
• Die vorliegende Erfindung ist des weiteren nicht auf zylindrische Magnetrons beschränkt. Sie kann auch bei einem ebenen Magnetron eingesetzt werden, wovon ein Beispiel schematisch in den Fig. 10A und 10B dargestellt ist. Ein zu beschichtendes Substrat 133 wird an einer Kathode 135 mit einer ebenen Targetfläche 137 vorbeibewegt, die parallel zum Substrat 133 verläuft. Das Target 137 ist bezüglich einer Achse 136 symmetrisch, die sich über die Breite des Substrats 133 erstreckt. Gesonderte kleine Anoden 139, 141, 143 und 145 sind an den Ecken der Kathode 135 vorgesehen. Diese Anoden können entsprechend einer der mit Bezug auf die Fig. 5 bis 7 beschriebenen Ausführungsformen betrieben werden. Alternativ können nur zwei Anoden eingesetzt werden, die an diagonal gegenüberliegenden Ecken der Kathode 135 angeordnet sind.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Verwendung in einer Vakuumkammer (27) zum Zerstäubungsauftrag eines dünnen Materialfilms auf einem Substrat (19), das auf einer Bahn hindurchbewegt wird, mit:

einer Targetfläche (17) mit einer länglichen Achse (15), die quer zur Substratbahn verlaufend orientiert ist, wobei Magnete (25) der Substratbahn zugewandt sind und die Targetfläche auf einer negativen Spannung gehalten wird, wodurch eine Auftragszone (35) zwischen dem Target und der Substratbahn definiert wird, die sich entlang der Targetlänge erstreckt, und

Mittel einschließlich einer Anode (51; 53, 55; 109; 115; 119, 121) benachbart zur Targetfläche, die mit einer positiven Spannung von einer Stromquelle (37) verbunden sind, um über der Auftragszone ein Auftragsratenprofil des Materials auf das Substrat einzustellen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einstellen des Auftragsratenprofils zwei oder mehr getrennte Anoden (53, 55; 120, 121) umfassen, die in Richtung der Targetflächenlängsachse (15) voneinander getrennt gehalten werden, und Mittel zum zeitlich sequentiellen Betreiben der Anoden aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Einstellen des Auftragsratenprofils zusätzlich Mittel (127, 129) aufweisen, die auf Steuersignale ansprechen, um die zwei oder mehr getrennten Anoden (120, 121) in zeitlicher Folge derart mechanisch abzudecken, daß im wesentlichen immer nur eine Anode freiliegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einstellmittel für das Auftragsratenprofil zusätzlich Mittel (73) aufweisen, welche die Anoden (53, 55) mit der Stromquelle verbinden, um den zu den einzelnen Anoden zugeführten Strom gesondert zu steuern.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die Einstellmittel für das Auftragsratenprofil zusätzlich Mittel (73; 59, 61; 123, 125) zum gesonderten Einstellen des durch die einzelnen Anoden (53, 55) fließenden Stroms aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einstellmittel für den elektrischen Strom Mittel zum Einleiten von Prozeßgas (59, 61) in die Kammer nahe den Flächen der zwei oder mehr Anoden (53, 55) aufweisen, um die zu jeder der Anoden zugeführte relative Gasmenge einzustellen.

6. Verfahren zum Zerstäubungsauftrag eines dieelektrischen Films auf ein Substrat (19) von einem Target, das an eine negative Spannungsquelle (73) angeschlossen ist und innerhalb einer Vakuumkammer (27) positioniert ist, in welche ein Gas eingeleitet wird, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Target und dem Substrat in einer Richtung erzeugt wird, wobei das Target über dem Substrat in einer senkrecht zu der genannten einen Richtung verlaufenden Richtung (15) verläuft, mit folgenden Schritten:

Positionieren mindestens zweier beabstandeter Anoden (53, 55) an verschiedenen Stellen mit Bezug auf das Target entlang der orthogonalen Richtung (15), und

separates Steuern der elektrischen Energie einer positiven Spannung (73) zu jeder der mindestens zwei Anoden, wodurch ein Auftragsratenprofil (41) des Filmzerstäubungsauftrags über den Substrat in der orthogonalen Richtung gesteuert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Leistungssteuerung das einzelne Beaufschlagen jeweils nur einer der mindestens zwei Anoden nacheinander umfaßt, und daß jede der mindestens zwei Anoden in ausreichendem Maße abwechselnd strombeaufschlagt wird, daß jede der Anoden mindestens fünfmal strombeaufschlagt wird, während eine gegebene Stelle des Substrats (11) durch eine Zone (35) hindurchpassiert, in welcher der Film auf das Substrat aufgetragen wird.