DE19741708A1 - Apparatus for coating a substrate with thin layers - Google Patents
Apparatus for coating a substrate with thin layersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auf bringen dünner Schichten auf ein Substrat mittels des Kathodenzerstäubungsverfahrens in einer Vaku umkammer, durch die das zu beschichtende Substrat hindurch bewegbar ist und mit einer zwischen einem zu zerstäubenden Target und dem Substrat angeord neten Blende, wobei von der Wand der Vakuumkammer gehaltene, Kanäle aufweisende Hohlprofile parallel zur Targetebene vorgesehen sind, die von Prozeßga sen durchströmt sind, wobei die Hohlprofile sich quer zu den Kanälen erstreckende Öffnungen für den Austritt der Prozeßgase in den Prozeßraum aufwei sen.The invention relates to a device for bring thin layers onto a substrate the cathode sputtering process in a vacuum chamber through which the substrate to be coated is movable through and with one between one arranged to atomize the target and the substrate neten aperture, being from the wall of the vacuum chamber held hollow sections with channels parallel are provided to the target level, that of Prozessga are flowed through, the hollow profiles themselves Openings extending transversely to the channels for the Exit of the process gases in the process space sen.
Bekannt ist eine Vorrichtung zum Aufbringen dünner Schichten auf ein Substrat (DE 195 13 691 A1) mit tels des Kathodenzerstäubungsverfahrens in einer Vakuumkammer durch die das zu beschichtende Substrat hindurch bewegbar ist und mit einer zwi schen einer zu zerstäubenden Kathode und einer An ode angeordneten Blende, wobei die Substratebene unterhalb der Anode verläuft, wobei von der Wand der Vakuumkammer gehaltene, Kanäle aufweisende Hohlprofile parallel zur Kathodenebene und im Be reich zwischen der Kathode und der Anode vorgese hen sind, die vom Kühlmittel und Prozeßgas durch strömt sind, wobei die Hohlprofile sich quer zu den Kanälen erstreckende Öffnungen für den Aus tritt von Prozeßgas in die Vakuumkammer aufweisen, und die Anoden als Profilschienen mit L-förmigem Querschnitt ausgebildet sind, deren kurze Schenkel jeweils die Hohlprofile übergreifend auf den Ober seiten der Hohlprofile aufliegen und in dieser La ge von Bolzen, Schrauben oder Klemmstücken gehal ten sind, die sich von den Oberseiten der Hohlpro file aus nach oben zu erstrecken und mit Bohrungen in den kurzen Schenkeln der Anoden korrespondie ren. A device for applying thinner is known Layers on a substrate (DE 195 13 691 A1) means of the sputtering process in one Vacuum chamber through which to be coated Substrate is movable and with a zwi a cathode to be atomized and a plug ode arranged aperture, the substrate plane runs below the anode, being from the wall the channels held in the vacuum chamber Hollow profiles parallel to the cathode plane and in the loading rich between the cathode and the anode hen are by the coolant and process gas are flowing, the hollow profiles are transverse to the channels extending openings for the Aus of process gas enters the vacuum chamber, and the anodes as profile rails with L-shaped Cross-section are formed, the short legs each overlapping the hollow profiles on the upper sides of the hollow profiles and in this La of bolts, screws or clamps ten are from the tops of the Hohlpro file to extend upwards and with holes in the short legs of the anode correspondie ren.
Diese vorbekannte Vorrichtung beschreibt zwar die Anwendung von Hohlprofilen mit mehreren Längskanä len für die Versorgung der Anoden mit Kühlmittel und der Prozeßkammer mit Prozeßgas; die bekannte Vorrichtung ist jedoch kaum geeignet für das Auf bringen von suboxidischen Schichten auf Substrate da die notwendigen Gase nur als Mischgas und nicht mit gleichmäßiger Verteilung in die Prozeßkammer eingegeben werden können.This previously known device describes the Use of hollow profiles with several longitudinal channels len for supplying the anodes with coolant and the process chamber with process gas; the well-known However, the device is hardly suitable for opening bring suboxidic layers onto substrates since the necessary gases only as a mixed gas and not with even distribution in the process chamber can be entered.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung des eingangs genannten Typs so auszubilden, daß die Schicht in einem re aktiven Beschichtungsprozeß längs einer besonders langen Kathode kontrollierbar herstellbar ist.The object of the present invention is now based on a device of the aforementioned Type so that the layer in a right active coating process along a particular long cathode can be manufactured in a controllable manner.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufga be dadurch gelöst, daß die Hohlprofile paarweise auf der dem Substrat abgewandten Seite des Targets und nebeneinander liegend angeordnet sind, wobei jeweils ein Hohlprofil von einem Reaktivgas und ein Hohlprofil von einem Edelgas durchströmt ist und sich die Gasaustrittsöffnungen lotrecht zur Targetebene erstrecken.According to the present invention, this task be solved in that the hollow profiles in pairs on the side of the target facing away from the substrate and are arranged side by side, whereby each a hollow profile from a reactive gas and a noble gas flows through a hollow profile and the gas outlet openings are perpendicular to Extend target level.
Alternativ ist zumindest ein erstes Hohlprofil auf der dem Substrat zugewandten Seite der Targetflä che und zumindest ein zweites Hohlprofil auf der dem Substrat abgewandten Seite der Targetebene vorgesehen, wobei das erste Hohlprofil von einem Reaktivgas und das zweite Hohlprofil von einem Edelgas durchströmt ist und sich die Gasaustritts öffnungen lotrecht zur Targetebene erstrecken, wo bei die aus dem ersten Hohlprofil austretenden Gasströme in einen von zwei Blendenschenkeln oder Blechen gebildeten Spalt eintreten, wozu die Blen denschenkel oder Blendenbleche sich mit Abstand zueinander ein Stück weit von der Seitenwand aus parallel zur Target ebene in den Raum zwischen dem Target und dem Substrat erstrecken.Alternatively, at least one first hollow profile is on the side of the target surface facing the substrate che and at least a second hollow profile on the side of the target plane facing away from the substrate provided, the first hollow profile of a Reactive gas and the second hollow profile from one Noble gas is flowed through and the gas outlet extend openings perpendicular to the target plane, where in those emerging from the first hollow profile Gas flows into one of two orifices Sheet metal formed gap, for which the balls thighs or cover plates are at a distance to each other a little from the side wall parallel to the target plane in the space between the Target and the substrate extend.
Mit Vorteil können die Hohlprofile auch paarweise auf der dem Substrat zugewandten Seite des Targets und nebeneinander liegend an der Wand angeordnet sein, wobei das eine Hohlprofil von einem Reaktiv gas und das andere Hohlprofil von einem Edelgas durchströmt wird und sich die Gasaustrittsdüsen lotrecht zur Targetebene erstrecken und die Gasströme in einen von zwei sich parallel und mit Abstand zueinander erstreckenden Blenden oder Blechzuschnitten gebildet nach dem Kathodenraum hin offenen Kanal einströmen.The hollow profiles can also be used in pairs on the side of the target facing the substrate and arranged side by side on the wall be, which is a hollow profile of a reactive gas and the other hollow profile from an inert gas is flowed through and the gas outlet nozzles extend perpendicular to the target plane and the Gas flows into one of two in parallel and with one another Spacing orifices Sheet metal blanks formed after the cathode compartment inflow open channel.
Vorzugsweise sind die die Prozeßgase in den Pro zeßraum einleitenden von Hohlprofilen gebildeten Kanäle in eine Vielzahl von Abschnitten unter teilt, wobei jeder dieser Abschnitte eine eigene Verbindungsleitung mit einer Gaszuführungsleitung aufweist.Preferably, these are the process gases in the pro Zeßraum introductory formed by hollow profiles Channels under a variety of sections divides, each of these sections having its own Connection line with a gas supply line having.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu; drei davon sind in den an hängenden Zeichnungen rein schematisch darge stellt. Darüber hinaus ist die mit der erfindungs gemäßen Vorrichtung erzielbare Dickengleichmäßig keit anhand zweier Beispiele diagrammatisch ge zeigt.The invention allows a wide variety of designs opportunities for; three of them are in the hanging drawings purely schematically Darge poses. In addition, the invention achievable thicknesses even according to the device diagrammatically based on two examples shows.
Von neueren Schichtsystemen wird eine Schichtdic kengleichmäßigkeit besser als ±1% auf einem Substrat mit einer Breite bis über 3 m verlangt.A new layer system is used for newer layer systems consistency better than ± 1% on one Requires substrate with a width of up to 3 m.
Das Wachstum einer Schicht im reaktiven Sputter prozeß hängt unter anderem vom Targetmaterial, von der Kathodenleistung, von der Kathodenumgebung, vom Sputtergas und vom Sputterdruck ab. Für die Schichtgleichmäßigkeit wichtig sind die Homogeni tät des Targetmaterials eine gleichmäßige Katho denumgebung und eine gleichmäßige Gasverteilung. Von großer Bedeutung ist auch eine gleichmäßige Verteilung des reaktiven Gases, wie z. B. die Ver teilung des Sauerstoffs beim Sputtern von Oxiden oder die Verteilung von Stickstoff beim Sputtern von Nitriden. Dabei hängt in einem reaktiven Pro zeß die lokale Sputterrate einer Kathode viel stärker von der Konzentration des reaktiven Gases als von der Konzentration eines neutralen Edelga ses ab. Beim reaktiven Sputtern von Oxiden, wie z. B. SnO2, ZnO, TiO2 oder Nitriden, wie z. B. TiN, ZrN, Si3N4, sinkt die Sputterrate mit steigender Konzentration des Reaktivgases. Solches Verhalten führt zur Selbstverstärkung jeder Abweichung von der gleichmäßigen Verteilung des Reaktivgases ent lang einer Kathode. Entsteht an irgendeiner Stelle auf der Targetoberfläche eine Konzentrationsände rung des Reaktivgases, dann wird diese Änderung durch den Sputterprozeß verstärkt. Steigt bei spielsweise auf einer Stelle der Targetoberfläche die Konzentration des Reaktivgases, dann wird im Bereich der erhöhten Konzentration die Sputterrate gedrosselt, was zur weiteren Erhöhung der lokalen Reaktivgaskonzentration führt. Dieser Prozeß wird sich jedoch nicht unbegrenzt fortsetzen. Als Ge genkraft kommt hier die Gasdiffusion ins Spiel, die jeglichen Konzentrationsfluktuationen entge genwirkt. Der ganze Prozeß wird sich bis zum Er reichen eines Gleichgewichts fortsetzen.The growth of a layer in the reactive sputtering process depends, among other things, on the target material, on the cathode performance, on the cathode environment, on the sputtering gas and on the sputtering pressure. The homogeneity of the target material, an even cathode environment and an even gas distribution are important for the layer uniformity. Of great importance is an even distribution of the reactive gas, such as. B. the distribution of oxygen when sputtering oxides or the distribution of nitrogen when sputtering nitrides. In a reactive process, the local sputtering rate of a cathode depends much more on the concentration of the reactive gas than on the concentration of a neutral noble gas. When reactive sputtering of oxides such. B. SnO 2 , ZnO, TiO 2 or nitrides, such as. B. TiN, ZrN, Si 3 N 4 , the sputter rate decreases with increasing concentration of the reactive gas. Such behavior leads to self-reinforcement of any deviation from the uniform distribution of the reactive gas along a cathode. If a concentration change occurs in the reactive gas at any point on the target surface, then this change is amplified by the sputtering process. If, for example, the concentration of the reactive gas rises at one point on the target surface, the sputter rate is throttled in the region of the increased concentration, which leads to a further increase in the local reactive gas concentration. However, this process will not continue indefinitely. Gas diffusion comes into play here as a counterforce, which counteracts any fluctuations in concentration. The whole process will continue until an equilibrium is reached.
Das beschriebene Verhalten der Reaktivgasvertei lung führt zur ungleichmäßigen Dickenverteilung der gesputterten Schichten entlang einer langen Kathode.The described behavior of the reactive gas distribution lung leads to uneven thickness distribution of the sputtered layers along a long one Cathode.
In den Fig. 1 und 2 ist der gleichmäßig ver teilte Einlaß von neutralem Edelgas in einen Pro zeßraum 3 über separate Hohlprofilzuschnitte 4, 5 längs einer Kathode 6 dargestellt. Der reaktive Sputterprozeß stört die Verteilung dieses Gases nicht. Die Konzentration des Edelgases bleibt da bei während des ganzen Prozesses erhalten.In Figs. 1 and 2, the inlet uniformly ver informed of neutral inert gas in a Pro zeßraum 3 separate hollow profile blanks 4, 5 along a cathode 6. The reactive sputtering process does not disturb the distribution of this gas. The concentration of the noble gas is retained throughout the process.
Der Einfluß des Edelgaseinlasses auf die Schicht
verteilung ist viel schwächer als der des Reaktiv
gases. Aus diesem Grunde kann dieses Gas an ziem
lich beliebiger Stelle der Prozeßkammer 3 einge
lassen werden. Beim Ausführungsbeispiel wird das
Gas oberhalb der Kathode 6 eingelassen mit dem
Vorteil
The influence of the noble gas inlet on the stratification is much weaker than that of the reactive gas. For this reason, this gas can be let in at any place in the process chamber 3 . In the exemplary embodiment, the gas is admitted above the cathode 6 with the advantage
- 1. der Entstehung eines Gaskonzentrationsgradien ten zwischen dem Substrat 7 und der Targeto berfläche 8, 8', was bei gezielter Anordnung des Reaktivgaseinlasses 9, 10 z. B. in der Nä he des Substrates 7 und unterhalb des Targets 8, 8' zur partiellen Abkoppelung der Prozesse am Substrat 7 von den Prozessen an der Katho denoberfläche und damit zur partiellen Gasse paration führt; 1. the emergence of a gas concentration Gradien th between the substrate 7 and the Targeto surface 8 , 8 ', which with targeted arrangement of the reactive gas inlet 9 , 10 z. B. in the vicinity of the substrate 7 and below the target 8 , 8 'for the partial decoupling of the processes on the substrate 7 from the processes on the cathode surface and thus leads to partial alley paration;
- 2. eines größeren freien Raums a bzw. a' vor der Kathode 6, was zur Verbesserung der Prozeßsta bilität beiträgt.2. a larger free space a or a 'in front of the cathode 6 , which contributes to improving the process stability.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, strömt das Reak tivgas längs der Kathode 6 in den Prozeßraum 3 ein, jedoch sind die Gaseinlaßrohre bzw. die Hohl profilzuschnitte 9, 10 in separate Segmente 9a bis 9e aufgeteilt. Das Gas wird in die einzelnen Seg mente 9a bis 9e über separate Durchflußmesser 11a bis 11e eingelassen. Auf diese Weise kann die Gas menge in den partiellen Einlässen kontrolliert werden und es kann damit auch die lokale Reaktiv gaskonzentration unterhalb der Kathode 6 nach Be darf eingestellt werden. Diese Einrichtung eröff net die Möglichkeit, die unter der Kathode 6 ent standenen Änderungen der Reaktivgaskonzentration auszugleichen und damit die erforderliche Schicht dickenverteilung zu gewährleisten.As shown in FIGS. 1 and 2 show, the reac tivgas 6 flows along the cathode in the process chamber 3, however, the gas inlet pipes or the hollow profile blanks are 9, 10 divided into separate segments 9 a to 9 e. The gas is let into the individual segments 9 a to 9 e via separate flow meters 11 a to 11 e. In this way, the amount of gas in the partial inlets can be controlled and the local reactive gas concentration below the cathode 6 can also be adjusted as required. This device opens up the possibility of compensating for the changes in the reactive gas concentration which have arisen under the cathode 6 and thus to ensure the required layer thickness distribution.
Es ist auch möglich, einen Teil des Reaktivgases zusammen mit dem Edelgas einzulassen und damit ei ne bessere Möglichkeit zu schaffen für die Rege lung und/oder Steuerung des gesamten Sputterpro zesses.It is also possible to use part of the reactive gas together with the noble gas and thus egg ne better way to create for the rain development and / or control of the entire sputtering pro zesses.
Die Anordnung und Gestaltung des Einlasses für das zusätzliche Gas hängt davon ab, wie das Schicht wachstum auf die Konzentrationsunterschiede des Gases reagiert. Beeinflußt das Gas die wachsende Schicht stark, dann ist es ratsam dies mittels ei nes partiellen Einlasses in den Prozeßraum 3 ein zuspeisen.The arrangement and design of the inlet for the additional gas depends on how the layer growth reacts to the concentration differences of the gas. If the gas influences the growing layer strongly, it is advisable to feed this into the process space 3 by means of a partial inlet.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird das Re aktivgas mittels eines geteilten Gaseinlasses 12, 12' in den Prozeßraum 3 eingeführt, wobei in die sem Falle sich der geteilte Gaseinlaß oberhalb der Kathode 6 befindet und jeweils ein Hohlprofil 14, 14' für das Edelgas und ein Hohlprofil 15, 15' für das Reaktivgas vorgesehen sind. In diesem Falle wird zwar eine gute Schichtgleichmäßigkeit er reicht; man verliert jedoch die Vorteile, die mit einer partiellen Gasseparation verbunden sind.In the embodiment according to FIG. 3, the reactive gas is introduced into the process space 3 by means of a divided gas inlet 12 , 12 ', in which case the divided gas inlet is located above the cathode 6 and a hollow profile 14 , 14 ' for the noble gas and a hollow profile 15 , 15 'are provided for the reactive gas. In this case, good layer uniformity is sufficient; however, one loses the advantages associated with partial gas separation.
Gemäß Fig. 4 wird das Reaktivgas mittels eines ge teilten Gaseinlasses 16, 16' in den Prozeßraum 17 eingeführt, wobei in diesem Falle sich beide Gase unterhalb der Kathode 6 sammeln.According to FIG. 4, the reactive gas is divided by means of a ge gas inlet 16, 16 'inserted into the process chamber 17, wherein both gases collect in this case below the cathode 6.
In der Darstellung gemäß Fig. 5 ist eine gemessene Dickenverteilung für eine SnO2-Schicht gezeigt, die mit dem in Fig. 1 gezeigten Gaseinlaß erreicht wurde. Die Substratbreite beträgt 3,21 m, die Ka thodenlänge 3,75 m. Die erreichte Gleichmäßigkeit ist besser als ±1,1%. In the illustration according to Fig. 5 there is shown a measured thickness distribution for a SnO 2 film, which was obtained with the example shown in Fig. 1 gas inlet. The substrate width is 3.21 m, the cathode length is 3.75 m. The uniformity achieved is better than ± 1.1%.
In der Darstellung gemäß Fig. 6 ist eine gemessene Dickenverteilung für eine Si3N4-Schicht gezeigt, die mit dem in Fig. 1 gezeigten Gaseinlaß erzielt wurde. Die Substratbreite beträgt 3,21 m, die Ka thodenlänge 3,75 m. Die erreichte Gleichmäßigkeit ist besser als ±1%. In the illustration of FIG. 6 is a measured thickness distribution is shown 3 N 4 layer on a Si, which was obtained with the example shown in Fig. 1 gas inlet. The substrate width is 3.21 m, the cathode length is 3.75 m. The uniformity achieved is better than ± 1%.
11
, ,
11
' Blende
' Cover
11
a, a,
11
b, b,
11
a', a ',
11
b' Blendenschenkel
b 'Aperture legs
22nd
Vakuumkammer
Vacuum chamber
22nd
a, a,
22nd
b Kammerwand
b chamber wall
33rd
Prozeßraum
Process room
44th
Hohlprofil
Hollow profile
44th
', ',
55
' Ausströmdüse
'' Outflow nozzle
55
Hohlprofil
Hollow profile
66
Kathode
cathode
77
Substrat
Substrate
88th
, ,
88th
' Target
'Target
99
Hohlprofil
Hollow profile
99
a, a,
99
b, . . ., b,. . .,
99
e Abschnitt
e section
1010th
Hohlprofil
Hollow profile
1111
, ,
1111
a Durchflußmesser
a flow meter
1212th
, ,
1212th
' Hohlprofil
'' Hollow profile
1313
Vakuumkammer
Vacuum chamber
1414
, ,
1414
' Kanal
' Channel
1414
a, a,
1414
a' Ausströmdüse
a 'outlet nozzle
1515
, ,
1515
' Kanal
' Channel
1515
a, a,
1515
a' Ausströmdüse
a 'outlet nozzle
1616
, ,
1616
' Hohlprofil
'' Hollow profile
1717th
, ,
1717th
' Spalt
'Gap
1818th
, ,
1818th
' Blende
' Cover
1818th
a, a,
1818th
b, b,
1818th
a', a ',
1818th
b' Blendenschenkel
b 'Aperture legs
1919th
, ,
1919th
' Hohlprofil
'' Hollow profile
1919th
a, a,
1919th
a' Ausströmdüse
a 'outlet nozzle
2020th
, ,
2020th
' Hohlprofil
'' Hollow profile
2020th
a, a,
2020th
a' Ausströmdüse
a 'outlet nozzle
2222
Gaszufuhrleitung
Gas supply line
2323
, ,
2323
a, . . . Verbindungsleitung
a,. . . Connecting line
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Family
ID=7843176
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| EP1840936A1 (en) * | 2006-03-29 | 2007-10-03 | Applied Materials GmbH & Co. KG | Sputtering chamber for coating a substrate |
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