Die Erfindung betrifft eine Magnetron-Sputtereinrichtung zur großflächigen, reaktiven plasmagestützten Abscheidung hauptsächlich elektrisch isolierender Schichten auf Substraten entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a magnetron sputtering devicelarge-scale, reactive plasma-assisted deposition at allmainly electrically insulating layers on substratesaccording to the preamble of claim 1.
Die zu beschichtenden Substrate können dabei aus den unterschiedlichsten Grundmaterialien bestehen und die unterschiedlichste geometrische Form haben. In der Praxis werden aber hauptsächlich metallische Bänder oder ebene Glasscheiben als Substrate in Frage kommen.The substrates to be coated can from the belowdifferent basic materials exist and the differencehave the most geometrical shape. In practice, howevermainly metallic strips or flat glass panes asSubstrates come into question.
Sowohl für die Abscheidung von dielektrischen Schichtsystemen für z. B. die Herstellung von wärmereflektierenden Glasscheiben für Fenster, als auch zur großflächigen Beschichtung von metallischen Bändern mit lichtabsorbierenden Schichten zur Herstellung 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.Both for the deposition of dielectric layer systemsfor z. B. the production of heat-reflecting glass panesfor windows, as well as for the large-scale coating of memetallic tapes with light-absorbing layersposition of solar absorbers are magnetron sputter sourcesused. So it succeeds in the necessary extent in theProperties homogeneous and even in the layer thicknessTo deposit layers on large areas.
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, wodurch der Prozeß instabil wird und elektrische Überschläge auftreten.In known methods for coating substrates withHelp the sputtering technique and materials that isolateForming layers, there is the problem that next to the substratenot even parts of the facility itself with this,or poorly conductive materials are coated wheredue to the process becoming unstable and electrical flashovers occur.
Weiterhin ist die aus ökonomischer Sicht wünschenswerte Erhöhung 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.Furthermore, the Er is desirable from an economic point of viewincrease in the productivity of such coating systemsthe high coating speed of the then requiredindividual magnetrons limited. The usual way out isIncrease the number of separators for a single oneLayer used magnetrons, or an increase in the proMagnetron implemented electrical power. Both measuresthere are relatively narrow limits in practice.
So ist die Magnetronanzahl durch geometrische Größen festgelegt und die maximal anwendbare Leistung pro Target-Oberflächeneinheit durch Werkstoffkenngrößen und die Kühlmöglichkeiten des Targets. Die gewünschte Produktivitätserhöhung der Anlage ist somit nur erreichbar, wenn es gelingt, die spezifischen Eigenschaften der Einzelschichten, die jeweils an eine bestimmte Schichtdicke gebunden sind, auch bei geringeren Schichtdicken zu erreichen.The number of magnetrons is determined by geometric variablessets and the maximum applicable power per target upperarea unit due to material parameters and the possibility of coolingof the target. The desired productivity increase of theThe system can therefore only be reached if the specifish properties of the individual layers, each connected to acertain layer thicknesses are bound, even with smaller onesTo achieve layer thicknesses.
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 Schichtabscheidung mit Unterstützung eines dichten Plasmas in Substratnähe.This is often possible when the layers in theirStructure and their density the values of the respective compactMaterial are adjusted. One way to do this is through the layerdeposition supported by a dense plasma in subsclose to the step.
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 Aufdampfverfahren eröffnet neue Perspektiven in der Brillen- und Feinoptik, Vakuum in Forschung und Praxis 1997, Nr. 1, 19-24).The positive effects of the plasma, such as B. the increase in the refractive index from 2.35 to 2.55 for the very frequently used TiO2 layers in optical coatings have already been described (Zöllner: plasma-assisted vapor deposition opens up new perspectives in glasses and fine optics, vacuum in research and Praxis 1997, No. 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).The reason for this is a change in the lattice structure from anatase to rutile even at a low coating temperature. Analogously, it could be shown that the refractive index for SiO2 drops from 1.48 to 1.46 due to a denser structure (Szyzbowski, Bräuer, Teschner, Zmelty: Large Scale Antire flecting Coatings, PSE '96).
Es wurde weiterhin festgestellt, daß die Erhöhung der Schichtdichte zur erhöhten elektrischen Leitfähigkeit, z. B. bei Silberschichten 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 verbessern.It was also found that increasing the layerdensity for increased electrical conductivity, e.g. B. at Siloverlays. As with the sheet resistance but alsoThe emissivity of metallic layers increases, it succeedsthinner silver layers have the same reflective propertiesreach and at the same time ver the optical transmissionimprove.
Oftmals ist die Magnetron-Entladung nicht primär zur Abstäubung von Targetmaterial eingesetzt, sondern dient als Plasmaquelle. Das ist jeweils dann der Fall, wenn eine nahezu vollständige Bedeckung des Targets mit Reaktionsprodukten erzwungen wird.Often, the magnetron discharge is not primarily for congestionExercise target material used, but serves as a plasmasource. This is always the case when one is almost fullforce constant coverage of the target with reaction productswill.
Üblicherweise ist die Sputterrate der Reaktionsprodukte geringer 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 Abscheidungsgeschwindigkeit bestimmende Größe die Plasmadichte in unmittelbarer Substratnähe. Damit verbunden ist die Dichte der Radikale und weiterer energiereicher Spezies, die für die Schichtabscheidung verantwortlich sind.The sputter rate of the reaction products is usually lowlower than that of the corresponding target material. With growingThe proportion of reactive gas decreases the sputter rate of the target material andthe power fed into the magnetron is increasing inPlasma implemented. In this case the magnetron assistedPlasma CVD is an essential deposition ratesize determining the plasma density in the immediate subclose to the beach. Associated with this is the density of radicals andother high-energy species that are responsible for the layer separationare responsible.
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 verbesserter Schichteigenschaften, bzw. einer höheren spezifischen Schichtabscheidungsrate.In both cases, both in the usual reactive sputtering processas with magnetron-assisted plasma CVD, leads oneIncrease in plasma density in the immediate vicinity of the substratean increase in coating productivity due to verbetter layer properties, or a higher specificFilm deposition rate.
Es existieren eine Vielzahl von Methoden, die Plasmadichte auch bei größeren Abständen vom Target zum Substrat zu erhöhen. Eine Gruppe von Methoden benutzt zusätzliche Plasmaquellen, neben dem Magnetron selbst (Hohlkatodenunterstützte Sputtertechnik, Glühkatodenunterstützte Sputtertechnik, zusätzliche Mikrowellenentladung). Alle diese Methoden besitzen den prinzipiellen Nachteil des hohen apparativen Aufwandes und der damit verbundenen niedrigen Zuverlässigkeit der Einrichtung und Langzeitstabilität der Prozesse.A variety of methods exist, the plasma densityeven at larger distances from the target to the substrateheights. A group of methods uses additional plasmaswell, next to the magnetron itself (hollow cathode supported Sputter technology, hot cathode-assisted sputter technology, tooadditional microwave discharge). Own all of these methodsthe fundamental disadvantage of the high expenditure on equipment andthe associated low reliability of the facilityprocess and long-term stability of the processes.
Eine weitere Methode besteht darin, mit Gleichspannung betriebene Magnetrons magnetisch unbalanziert aufzubauen (Window, Surf. Coat. Technol. 71 81995) 93, DE 40 17 112).Another method is to operate with DC voltageto build bene magnetrons magnetically unbalanced (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 erforderlich ist. Nachteilig hierbei ist allerdings, daß bei der reaktiven Abscheidung isolierender Schichten die zur Aufrechterhaltung 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 leitfähiger 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).This will also increase the plasma density significantlyat distances of a few 10 cm from the target withouta significant additional equipment effort requiredis. The disadvantage here, however, is that thereactive deposition of insulating layers to the uprightmaintenance of the discharge required electrodes (anode) in theAlso isolated in the course of the deposition process, theDischarge thereby becomes unstable and finally extinguishes. Outfor this reason, this method has so far become essentiallyin the deposition of metal layers, or metallically conductivecapable connecting layers (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 Prozeßstörungen die Abscheidung auch von dielektrischen Oxidschichten 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-Magnetron. Die beiden Einzelmagnetrons sind mit dem Ausgangstransformator einer Stromversorgungseinheit verbunden, die mit Frequenzen im Bereich zwischen 20 . . . 100 kHz eine ihr Vorzeichen wechselnde Spannung liefert.One way the disadvantage of unstable anode processes,the reactive sputtering with the DC operatedAvoid magnetron and avoid long-term stability withoutfrequent electrical flashovers and the resulting processinterferes with the deposition of dielectric oxideRealizing layers is both in DD 252 205, likealso described in EP 0 502 242. This arrangement consists oftwo parallel to each other and essentially on one levellying magnetrons, the double magnetron, or twin magnetron. The two single magnetrons are with the starting transFormator of a power supply unit connected withFrequencies in the range between 20. . . 100 kHz is their leadalternating voltage.
Dadurch wird erreicht, daß jeweils ein Magnetron während einer Spannungspolarität die Anode des Zweiten darstellt; nach Umpolung aber selbst sputtert und dadurch eine reine Targetoberfläche nach einer weiteren Umpolung als Anode zur Verfügung steht.This ensures that one magnetron during eachVoltage polarity represents the anode of the second; after orderpolarity but sputtering itself and thus a pure targetoberavailable after an additional polarity reversal as an anodestands.
Bei entsprechender Wahl der Frequenz wird erreicht, daß die Ausbildung der Isolierschicht auf dem jeweiligen Target langsamer verläuft, als die Umpolung stattfindet und dadurch ein stabiler Anodenprozeß zur Verfügung steht.With an appropriate choice of frequency it is achieved that theFormation of the insulating layer on the respective target longruns more smoothly than the polarity reversal takes place and therebystable anode process is available.
Im Frequenzbereich bis zu ca. 1 MHz können die Ionen des Entladungsplasmas dem wechselnden elektrischen Feld noch folgen. Es kommt dadurch zu einer geringfügigen Erhöhung der Plasmadichte, bzw. einer Ausdehnung des Bereiches des dichten Plasmas vom Target weg und zu verbesserten Haftungsbedingungen der Schichten auf den Substraten.In the frequency range up to approx. 1 MHz, the ions of the EntCharge plasma still follow the changing electric field.This leads to a slight increase in the plasmadensity, or an expansion of the area of the dense plasmamas away from the target and to improved liability conditionsLayers on the substrates.
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 magnetrongestützten-CVD Prozessen wird nur unvollkommen erreicht.The key advantage of such facilities is thatLong-term stability of the processes in reactive atomizationfor the deposition of insulating layers. The requiredsignificant increase in plasma density on removed substrates,and thus the clear influence on the properties of theforming layer, as well as the density increase of the radicalsand energetic species near the substrate at magnetronsupported CVD processes is only incompletely achieved.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Doppelmagnetron-Sputtereinrichtung 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 gleichzeitig über lange Zeiten stabil arbeitet.The object of the invention is a double magnetron sputteringto specify the direction that a high technical efforthigh plasma density close to the substrate, especially with reactive onesSputtering processes in which the resulting layer itselfis insulating or poorly conductive, and the sameworks stably over long periods.
Die Aufgabe wird bei einer mit Mittelfrequenzspannung gespeisten Doppelmagnetron-Sputtereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei jedem der das Doppelmagnetron bildenden Einzelmagnetrons die jeweils in der Ebene des Targets gemessene magnetische Feldstärke des inneren Magnetpols niedriger ist, als die des äußeren Magnetpols.The task is at a ge with medium frequency voltagefed double magnetron sputtering device of the beginning genamed kind in that each of the double magsingle magnetrons forming the tron, each in the plane of the Targets measured magnetic field strength of the inner magnetpols is lower than that of the outer magnetic pole.
Damit läßt sich mit geringem Aufwand eine hohe Plasmadichte in Substratnähe bei großer Langzeitstabilität erreichen.This allows a high plasma density in with little effortReach the substrate with great long-term stability.
Die unterschiedliche Feldstärke der Magnetpole läßt in Fortführung 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 zusammengesetzt ist.The different field strength of the magnetic poles leaves in Fortachieve leadership of the invention in that the outerMagnet pole essentially made of hard magnetic materialinner magnetic pole essentially made of material with a highPermeability and in the same way as the back plate toois composed.
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 Realisierung der Erfindung möglich ist.SmCo or NdFeB is preferred as the hard magnetic materialand as the high permeability material is preferredSt 37 used, so that a particularly inexpensive realisation of the invention is possible.
Zur Verhinderung von parasitären Entladungen außerhalb der äußeren Magnetpole sind neben diesen angeordnete Bleche aus Aluminium vorgesehen.To prevent parasitic discharges outside theouter magnetic poles are made of sheets arranged next to themAluminum provided.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawingsshown and is described in more detail below.
In der zugehörigen Zeichnungsfigur ist schematisch der Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt. Auf einer Trägerplatte aus Edelstahl1 sind auf isolierenden Zwischenstücken4 zwei gleichartig gestaltete Einrichtungen, bestehend aus jeweils äußeren Magnetpolen2, inneren Magnetpolen3, montiert auf Rückplatten6 und Targetplatten5, aufgebaut.In the accompanying drawing figure, the cross section through an inventive device is shown schematically. On a support plate made of stainless steel1 are on insulating spacers4 two identically designed devices, each consisting of outer magnetic poles2, inner magnetic poles3 mounted on back plate6 and target plates5, built on.
Das Target selbst besteht aus Chrom. Die äußeren Magnetpole2 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.The target itself is made of chrome. The outer magnetic poles2 are each composed of a layer of rectangular permanent magnets made of NdFeB with a cross section of 10 × 10 mm2 and an overlying pole piece made of St 37 with a cross section of 10 × 5 mm2 .
Die inneren Magnetpole3 bestehen hingegen ausschließlich aus einem Stück quaderförmigen Stahl St 37 mit einem Querschnitt von 10 × 15 mm2.The inner magnetic poles3 , however, consist exclusively of a piece of rectangular steel St 37 with a cross section of 10 × 15 mm2 .
Die äußeren Magnetpole2 sind dabei derart angeordnet, daß jeweils um den inneren Magnetpol3 ein tunnelförmiger, geschlossener Magnetfeldring erzeugt wird. Im Beispiel ist der Nordpol der Magnete der äußeren Magnetpole2 auf der dem darüberliegenden Target5 zugewandten Seite angeordnet.The outer magnetic poles2 are arranged such that a tunnel-shaped, ge closed magnetic field ring is generated around the inner magnetic pole3 . In the example, the north pole of the magnets of the outer magnetic poles2 is arranged on the side facing the overlying target5 .
Zur Verhinderung von parasitären Entladungen außerhalb der äußeren Magnetpole2 sind Bleche aus Aluminium7 mit einer Dicke von ca. 3 mm vorgesehen.To prevent parasitic discharges outside the outer magnetic poles2 , aluminum7 plates with a thickness of approximately 3 mm are provided.
Zwischen den beiden Einzelmagnetrons, zur magnetischen Abschirmung gegeneinander, wird ein weiterer quaderförmiger Stab aus permeablen Material8 eingesetzt.Between the two single magnetrons, for magnetic shielding against each other, another cuboid rod made of permeable material8 is used.
Die beiden Einzelmagnetrons werden nunmehr mit einer nichtdargestellten Mittelfrequenz-Stromversorgung verbunden. Nach Erzeugung der üblicherweise erforderlichen Umgebungsbedingungen für den Betrieb einer Magnetron-Sputterquelle, Erzeugung eines niedrigen Gasdruckes in einer die Quelle umgebenden abgeschlossenen Kammer, Einlaß eines prozeßtypischen Gasgemisches, wird die Entladung gezündet und dadurch der Sputtervorgang eingeleitet.The two single magnetrons are now not shown with oneprovided medium frequency power supply connected. AfterGeneration of the usually required environmentconditions for operating a magnetron sputter source, Ergenerating a low gas pressure in the sourcegiving closed chamber, inlet of a process typicalGas mixture, the discharge is ignited and thereby theSputtering process initiated.
Bei einem typischen Gasdruck von ca. 5.10-2 mbar in einem Ar/CH4-Gasgemisch werden auf ein Substrat9, 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 Metallanteil in der Schicht von 15 at.% Cr, gelingt es, den Prozeß langzeitstabil über mehrere Stunden mit konstanter Stöchiometrie der Schicht, ohne störende Veränderungen der Targetbedeckung und damit verbundenen Instabilitäten und arc-Entladungen bei einer hohen Schichtabscheidungsrate zu führen.At a typical gas pressure of approx. 5.10-2 mbar in an Ar / CH4 gas mixture, a substrate9 , which is arranged at a distance of 100 mm in front of the target, and electrically at a negative DC potential of approx. -150 V lies, Me: CH layers deposited by a magnetron-assisted plasma CVD process. Even with a required small amount of metal in the layer of 15 at.% Cr, it is possible to keep the process stable over several hours with constant stoichiometry of the layer, without disturbing changes in the target coverage and the associated instabilities and arc discharges lead to high layer deposition rate.
Gleichzeitig ist eine Ionenstromdichte am Substrat von 2 mA/cm2 einstellbar, die zur Ausbildung einer harten und kompakten Schicht führt.At the same time, an ion current density on the substrate of 2 mA / cm2 can be set, which leads to the formation of a hard and compact layer.
11
Trägerplatte
Carrier plate
22nd
äußerer Magnetpol
outer magnetic pole
33rd
innerer Magnetpol
inner magnetic pole
44th
Zwischenstück
Spacer
55
Targetplatte
Target plate
66
Rückplatte
Backplate
77
Blech
sheet
88th
quaderförmiger Stab
cuboid rod
99
Substrat
Substrate
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19827587A1true DE19827587A1 (en) | 1999-12-23 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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