DE102012106403B4 - Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern zur Beschichtung von Substraten - Google Patents

Abstract

Reaktives Magnetronsputtern zur Beschichtung von Substraten von einem Target eines Magnetrons, wobei ein zu beschichtendes Substrat dem Magnetron gegenüber angeordnet, dessen Targetmaterial durch Sputtern zerstäubt und das zerstäubte Targetmaterial unter Anwesenheit eines Reaktivgases auf einem Substrat abgeschieden wird, wobei zum Zerstäuben zwischen Substrat und Magnetron ein Plasma gezündet wird, dessen Zündpunkt mittels des Magnetsystems des Magnetrons auf eine in sich geschlossene Bahn, nachfolgend als Erosionsgraben bezeichnet, gezwungen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem asymmetrisch betrieben wird, indem dessen magnetische Flussdichte in einem ersten Magnetfeldbereich über einem ersten Abschnitt des Erosionsgrabens mittels der verwendeten Materialien der Magnete und/oder durch deren Geometrien höher eingestellt wird als in einem zweiten Magnetfeldbereich über einem zweiten Abschnitt des Erosionsgrabens, wobei die magnetische Flussdichte in einem von besagten beiden Magnetfeldbereichen gleich oder kleiner als 80% der magnetischen Flussdichte des anderen Magnetfeldbereichs beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern zur Beschichtung von Substraten. Die Beschichtung erfolgt von einem Target eines Magnetrons, wobei ein zu beschichtendes Substrat dem Magnetron gegenüber angeordnet und dessen Targetmaterial durch Sputtern zerstäubt wird, wobei zum Zerstäuben zwischen Substrat und Magnetron ein Plasma gezündet wird, dessen Zündpunkt mittels des Magnetsystems des Magnetrons auf eine in sich geschlossene Bahn, allgemein als Erosionsgraben bezeichnet, gezwungen ist. Das zerstäubte Targetmaterial wird unter Anwesenheit eines Reaktivgases auf einem Substrat abgeschieden.
• Es ist bekannt, Schichten mittels reaktiven Sputterns herzustellen. Dabei wird in einem Hochvakuum an ein Target eine Spannung, üblicherweise eine in der Polarität wechselnde Spannung, angelegt. Das Target wird mit einem Magnetfeld durchsetzt, wodurch der durch Hochvakuum und Targetspannung erzeugte Sputtereffekt ermöglicht oder unterstützt wird. Die Kombination von Target und Magnetfelderzeuger wird als Magnetron bezeichnet, das Sputtern somit als Magnetronsputtern.
• In den Prozessraum wird nun gezielt ein Gas eingeleitet, welches unter zumindest teilweiser Reaktion mit dem Targetmaterial zusammen mit diesem auf einer Oberfläche eines Substrates abgelagert wird. Dies wird als reaktives Sputtern bezeichnet. Durch Einleiten von Sauerstoff als Reaktionsgas werden beispielsweise oxidische Schichten erzielt. So ist es beispielsweise möglich, eine MetalloxidSchicht aus einem metallischen Target mittels dieses reaktiven Sputterns zu erzeugen.
• In der Praxis finden planare Magnetrons mit ebener Kathodengeometrie oder Rohrmagnetrons mit zylindrischer Kathode Anwendung. Für die großindustrielle Anwendung haben sich die Rohrmagnetrons sehr bewährt. Hierbei ist ein rohrförmiges Target (Rohrtarget) vorgesehen, in dessen innerem Hohlraum das Magnetsystem angeordnet ist. Bei dem Sputtervorgang wird das Rohrtarget gedreht, so dass es ständig um das feststehende Magnetfeld dreht. Damit wird erreicht, dass immer die gesamte Targetoberfläche vom Sputterprozess bearbeitet wird. Es sollen sich keine Zonen unterschiedlichen Targetabtrages oder unterschiedlicher Targetoxidation herausbilden, wie beim planaren Target zwangsläufig der Fall ist. Damit wird u.a. gewährleistet, dass das Target gleichmäßig absputtert, wodurch eine bessere Targetausnutzung erreicht wird.
• Rohrmagnetrons werden, wie auch planare Magnetrons, in inline-Vakuumbeschichtungsanlagen eingesetzt. Dabei handelt es sich um langgestreckte Vakuumanlagen mit einem Substrattransportsystem, mittels dem Substrate durch die Vakuumbeschichtungsanlage unter Passieren verschiedener Bearbeitungsstationen, u.a. auch Beschichtungsstationen, hindurch bewegt werden.
• Mit zunehmender Komplexität der herzustellenden Schichtsysteme steigen auch die Anforderungen an die Homogenität der Einzelschichten. Z.B. hängt das Reflexions- und Transmissionsverhalten des Schichtsystems wesentlich von der Schichtdicke der meist sehr dünnen Funktions-, Schutz- und Antireflexionsschichten ab. Gerade für Schichtsysteme mit Filtereigenschaften sind deshalb die zulässigen Schichtdickenvariationen sehr gering, sowohl von Substrat zu Substrat als auch über der Fläche eines Substrats. Letzteres erfordert einen Ausgleich von Schwankungen sowohl in Richtung als auch quer zur Substrattransportrichtung.
• Eine Quelle der Schichtdickenschwankungen ist die Magnetfeldgeometrie entlang des Erosionsgrabens, die zum einen durch das Magnetfeld entlang des Magnettunnels und zum anderen auch durch die Verteilung des Targetabtrages beeinflusst wird. Maßnahmen zur Variation des Magnetfelds sind beispielsweise die Änderung der Position eines Magneten zu einem benachbarten Magneten oder zur Targetoberfläche oder die Änderung des Abstandes oder die Lage der Pole ( US 5 865 970 A ). Andere Vorschläge sind auf die direkte Änderung der Magnetfeldstärke gerichtet, z.B. durch die Verwendung von Elektromagneten oder die Änderung der Winkeleinstellung zwischen Magnet und Rohrtarget. In der DE 102 34 858 A1 wird beispielsweise die Lage des Mittelpols relativ zum Target nach einem vorgebbaren Zeitprogramm geändert. In der EP 1 412 964 B1 wird eine Homogenität in der Magnetfeldgeometrie als unerlässlich angesehen und eine Magnetanordnung für Rohrmagnetrons beschrieben, die Variationen in der magnetischen Flussdichte entlang des Erosionsgrabens zum Ausgleich von Inhomogenität quer zur Substrattransportrichtung gestattet. Ein solches so genannten Shimming oder Shimmen, das die Homogenisierung des Magnetfeldes beabsichtigt, bewirkt Änderungen der magnetischen Flussdichte im Bereich von wenigen, deutlich unter 10 Prozenten.
• In der DE 41 17 367 A1 wird das Magnetfeld, welches die Stärke und Formgebung des Plasmas maßgebend beeinflusst dadurch variiert, dass beispielsweise die Position mindestens eines Magneten oder dessen Stärke oder die Anzahl der Magnete geändert wird.
• In der DE 10 2009 053 756 A1 werden Schwankungen des Magnetfelds über der Targetoberfläche ausgeglichen, die auf Abweichungen von einer präzisen zylindrischen Geometrie und Rotation der Rohrmagnetrons und infolge dessen auf ungleichmäßigem Targetabtrag an der gerade über dem Magnetsystem befindlichen Targetoberfläche beruhen. Diese Magnetfeldschwankungen sind mit einer Schwankung des Arbeitspunktes verbunden, so dass mit einer dazu synchronisierten Modulation der Targetspannung ein Ausgleich angestrebt wird. Im Ergebnis können die Substrateigenschaften in Substrattransportrichtung zu einem großen Teil homogenisiert werden.
• Allerdings sind bei Rohrmagnetrons weitere Einflüsse auf die jeweils einem Rohrmagnetron zugehörige Plasmadynamik festgestellt worden, die den beiden sich gegenüber liegenden Abschnitten der quer zur Substrattransportrichtung erstreckten Erosionsgrabenabschnitte zuzuordnen sind und sich nicht synchron zueinander verhalten. Daraus ist zu schlussfolgern, dass sie nicht oder zumindest nicht allein der Unwucht des Rohrmagnetrons zuzuordnen sind. Solche Schwankungen wirken sich verstärkt auf reaktive Sputterverfahren aus und zwar dann, wenn eine solche Phasenverschiebung der Arbeitspunktschwankungen über beiden Hälften des in sich geschlossenen Erosionsgraben vorliegt, bei der eine Ausregelung der Schwankung über einer Hälfte eine gleichzeitig Ausregelung über der anderen Hälfte verhindert, so dass sich die Ausregelung verstärkt nur auf einen Teil der abzuscheidenden Schicht auswirkt.
• Es ist folglich Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern anzugeben, so dass ein verbesserter Ausgleich von Schwankungen über den Umfang des in sich geschlossenen Erosionsgrabens möglich ist.
• Zur Lösung der Aufgabe wird ein Magnetronsputterverfahren nach Anspruch 1 zum reaktiven Magnetronsputtern angegeben. Sich darauf beziehende abhängige Ansprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
• Im Gegensatz zur bekannten Verfahrensweise wird erfindungsgemäß ein Teil des Erosionsgrabens deutlich stärker ausgebildet und damit das Magnetron einseitig mittels der verwendeten Materialien der Magnete und/oder durch deren Geometrien asymmetrisch betrieben und dazu die sonst angestrebte Symmetrie des Magnetfeldes gebrochen.
• Zum Magnetronsputtern ist, wie eingangs beschrieben, ein in sich geschlossener magnetischer Tunnel und daraus folgend ein in sich geschlossener Erosionsgraben erforderlich, um das Plasma aufrecht zu erhalten. Jedoch dominiert in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Teil des Grabens, so dass dieser Teil für den Reaktivgasverbrauch und die Abscheiderate sowie die entstehenden Schichteigenschaften maßgeblich verantwortlich ist und so die Inhomogenitäten entlang des Erosionsgrabens an Gewicht verlieren.
• Bei einem sich über das gesamte Substrat erstreckenden Rohrmagnetron und ebenso bei einem solchen langgestreckten planaren Magnetron wird der dominierende Magnetfeldbereich zweckmäßig einer der beiden parallel zur Achse des Rohres oder des Rechtecks verlaufenden Bereich sein. Bei einem geradlinig unter bzw. über dem Magnetron hindurch bewegten Substrat und/oder bei rotierendem Magnetron liegen sich der stärker und der demgegenüber schwächer ausgebildete Magnetfelbereich im Verlauf des Erosionsgrabens gegenüber. Aber auch andere Geometrien können in Abhängigkeit von der Geometrie und einem möglichen Transport der Substrate sowie von der Targetgeometrie anwendbar sein.
• Mit zunehmender Dominanz des einen Magnetfeldbereichs verliert der andere an Einfluss, so dass die magnetische Flussdichte in letzterem nur maximal 80%, entsprechend bevorzugter Ausgestaltungen maximal 50%, des Ersteren ist oder gerade so groß, dass der Plasmaring nicht erlischt, d.h. der Elektroneringstrom nicht unterbrochen wird.
• Das Magnetsystem wird mittels der verwendeten Materialien der Magnete oder durch deren Geometrien oder einer Kombination von beidem derart konfiguriert, dass für zumindest zwei sich einander gegenüber liegende Abschnitte des Magnetsystems magnetische Flussdichten erzielbar sind, die die oben beschriebene Dominanz des einen Magnetfeldbereichs realisieren. Die mittels des Magnetsystems gezielt eingestellten Unterschiede liegen in den oben beschriebenen Prozentbereichen und damit deutlich über den durch das bekannte Shimmen ausgleichbaren Inhomogenitäten.
• Neben der gezielt eingestellten Asymmetrie des Magnetfeldes kann auch ein Shimmen günstig sein, z.B. um die Asymmetrie fein abzustimmen, d.h. in jener Ausdehnung des Magnetfeldes, die sich über beide Magnetfeldbereiche erstreckt, oder um Inhomogenität innerhalb eines Magnetfeldbereiches auszugleichen. Letzteres erfolgt entlang der Ausdehnung jedes Magnetfeldbereichs und kann mit einem Shimmen in der ersten Ausdehnung kombiniert werden.
• Die Dominanz eines Magnetfeldbereichs gegenüber dem anderen gestattet die Regelung des Arbeitspunktes des reaktiven Sputterprozesses anhand der Ermittlung eines dafür geeigneten, diesen Magnetfeldbereich charakterisierenden Prozessparameters, hier zur Unterscheidung als erster Prozessparameter bezeichnet.
• Unter Arbeitspunkt wird hier ein Punkt auf einem von mehreren Prozessparametern abhängigen mehrdimensionalem Strom-Spannungs-Kennlinienfeld verstanden. Zur Erreichung bestimmter Schichtqualitäten wird ein bestimmter Sollpunkt oder Sollbereich in dem Kennlinienfeld vorgegeben, in dem der Arbeitspunkt liegen soll, d.h. normalerweise wird der Arbeitspunkt so eingestellt, dass ein Optimum an zu erzielenden Schichteigenschaften erreicht wird.
• Insbesondere bei reaktiven Prozessen ist der Einfluss der Prozessparameter auf das Kennlinienfeld besonders stark oder nicht eindeutig, was sich in Form von Sprüngen oder Hysteresen zeigt. Das führt dazu, dass minimale Schwankungen des Magnetfeldes, die zu minimalen Schwankungen in der Impedanz führen, erhebliche Arbeitspunktschwankungen nach sich ziehen können.
• Bei der Prozessführung wird der Arbeitspunkt nach Möglichkeit konstant gehalten. Hierfür sind Regelverfahren bekannt, beispielsweise das Plasmaemissionsmonitoring (PEM) oder eine Leistungsregelung mittels Reaktionsgaszuführung bei einer konstant geregelten Spannung. Bei der Leistungsregelung wird der zur Bereitstellung der Targetspannung eingesetzte Generator spannungsgeregelt betrieben und die gewünschte Leistung über den Reaktivgasfluss eingestellt.
• In der DE 10 2009 053 756 B4 , auf dessen dort beschriebenes Verfahren zur Stabilisierung des Arbeitspunktes in einer Rohrmagnetrons aufweisenden Vakuumkammer hier Bezug genommen wird, ist eine Regelung des Arbeitspunktes des Beschichtungsprozesses vorgesehen, bei dem an ein Rohrmagnetron mit einem rotierenden Target und eine Gegenelektrode eine Targetspannung angelegt wird, derart, dass eine durch den Targetumlauf hervorgerufene periodische Änderung eines ersten Prozessparameters durch eine periodische Änderung eines zweiten Prozessparameters mit einer determinierten Höhe ausgeregelt wird.
• Die Variation des Magnetfeldes in den beiden Magnetfeldbereichen können alternativ oder ergänzend auch durch die zum Stand der Technik beschriebenen Maßnahmen erfolgen, soweit sie die notwendige Abweichung der Flussdichten in beiden Bereichen erlauben.

Claims (7)

1. Reaktives Magnetronsputtern zur Beschichtung von Substraten von einem Target eines Magnetrons, wobei ein zu beschichtendes Substrat dem Magnetron gegenüber angeordnet, dessen Targetmaterial durch Sputtern zerstäubt und das zerstäubte Targetmaterial unter Anwesenheit eines Reaktivgases auf einem Substrat abgeschieden wird, wobei zum Zerstäuben zwischen Substrat und Magnetron ein Plasma gezündet wird, dessen Zündpunkt mittels des Magnetsystems des Magnetrons auf eine in sich geschlossene Bahn, nachfolgend als Erosionsgraben bezeichnet, gezwungen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem asymmetrisch betrieben wird, indem dessen magnetische Flussdichte in einem ersten Magnetfeldbereich über einem ersten Abschnitt des Erosionsgrabens mittels der verwendeten Materialien der Magnete und/oder durch deren Geometrien höher eingestellt wird als in einem zweiten Magnetfeldbereich über einem zweiten Abschnitt des Erosionsgrabens, wobei die magnetische Flussdichte in einem von besagten beiden Magnetfeldbereichen gleich oder kleiner als 80% der magnetischen Flussdichte des anderen Magnetfeldbereichs beträgt.
2. Reaktives Magnetronsputtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Flussdichte in einem von besagten beiden Magnetfeldbereichen bevorzugt gleich oder kleiner 50% der magnetischen Flussdichte des anderen Magnetfeldbereichs beträgt.
3. Reaktives Magnetronsputtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Flussdichte in einem von besagten beiden Magnetfeldbereichen gerade so groß eingestellt wird, dass der Plasmaring aufrechterhalten wird.
4. Reaktives Magnetronsputtern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander abweichenden Magnetfeldbereiche durch ein Magnetsystem erzeugt werden, das Abschnitte mit unterschiedlicher und/oder mit einstellbarer magnetischer Flussdichte aufweist.
5. Reaktives Magnetronsputtern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Arbeitspunktes des reaktiven Sputterprozesses anhand eines ersten Prozessparameters, welcher den Magnetfeldbereich mit der höheren magnetischen Flussdichte charakterisiert, erfolgt.
6. Reaktives Magnetronsputtern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Prozessparameter die Intensität einer signifikanten Linie eines optischen Emissionsspektrogramms oder ein Reaktivgaspartialdruck ist.
7. Reaktives Magnetronsputtern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einem entlang einer Substrattransportrichtung bewegten Substrat und/oder von zumindest einem Rohrmagnetron erfolgt, dessen Achse sich senkrecht zur Substrattransportrichtung erstreckt.