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PVD: Wie erreicht man Schichthomogenität?

Schichthomogenität, die sogenannte „uniformity“ ist unerlässlich für alle Anwendungen von PVD.

Ziel einer guten „uniformity“ ist es, auf einem Substrat nur geringfügige Schwankungen bezüglich der Schichtdicke bzw. des Schichtwiderstandes oder auch optischer Parameter zu erhalten.

Eine einfache einzusehende Voraussetzung ist es, dass das Target größer ist als das zu besputternde Substrat. Bei einem z.B. 6 “ Substrat sollte das Target eine Größe von 8 “ haben. Der Grund dafür sind Randeffekte beim Abtrag durch die Sputtergasionen und die Raumwinkeleigenschaften des erodierten Materials in Bezug auf das Substrat. Hier spielt auch die Anordnung der Magnete im Targethalter bei einer Magnetron-PVD-Anlage eine Rolle. Der Einsatz eines Substrathalters für mehrere Substrate, z.B. einer beweglichen Palette oder eines Drehtellers, hat ebenfalls eine sehr grosse Auswirkung auf die angestrebte Schichthomogenität.

Die Uniformity hängt von vielen weiteren Prozessparametern ab:

  • Abstand Targetoberfläche zu Substratoberfläche
  • Gasfluß (z.B.: Argon)
  • Prozessdruck
  • Leistung
  • Verweildauer von Substraten unter dem Target bei beweglichen Substrathaltern
  • Prozesszeit: Zu kurze Abscheidezeiten begünstigen Inhomogenitäten
  • festes oder variables Magnetfeld bei Magnetrontargets
  • Bias – (schon wieder der … Joker und Alptraum von Beschichtern, das gibt einen extra Artikel)

Bei beweglichen Substrathaltern für sogenannte Batch-Anlagen, wie sie in der Produktion eingesetzt werden, müssen vor allem für Drehteller einige Korrekturen vorgenommen werden:

Die Schichtdicke weist wegen der radial abhängigen Deposition einen Gradienten auf, auch andere Parameter können betroffen sein, z.B. bei reaktiver Abscheidung von optischen Schichten auch der Brechungsindex etc.

Abhilfe schafft eine Blende vor dem Target, welche diese Abhängigkeit kompensiert. Diese ist für jedes Targetmaterial resp. dazugehörigen Prozessparametern  individuell anzufertigen und zu kennzeichnen – Verwechslung, z.B. nach Reinigung, führt zu Qualitätsproblemen.

Da die Form etwas anspruchsvoll ist, muss der Blendenauschnitt berechnet werden:

Als erstes ist die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat ohne Blende aufzunehmen und zu dokumentieren. Dies kann durch die Belegung mit Schwingquarzen geschehen, die eine sehr genaue Dickenmessung zulassen. Diese Daten stellen den Input eines speziell dafür ausgelegten Algorithmus dar, der zunächst in erster Näherung eine Ausschnittsform berechnet. Nun erfolgt eine zweite Abscheidung mit der Roh-Blende, und identischen Prozessparametern, wie bei der ersten Abscheidung. Anhand der Basisform der Blende und der neuen Verteilung der Schichtdicken lässt sich nun berechnen, wie die Blende weiterbearbeitet werden muss, damit eine noch gleichmässigere Abscheidung zustande kommt. Durch mehrere solche Durchläufe iteriert man sich schliesslich zum optimalen Blendenausschnitt.

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Schichtdicke ohne Blende
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Schichtdicke mit Blende

Das Target sollte für solche Korrekturmassnahmen gut konditioniert und nicht schon am Ende seiner Lifetime angekommen sein. Ideal wäre es, wenn alle Korrektur-Runs in kurzem Zeitabstand hintereinander standfinden würden, so dass der unterschiedliche Abbrand des Target zu vernachlässigen ist.

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Die spezielle Form der Blende, am unteren Rand schmale, und auf der gegenüberliegenden Seite große Öffnung, ist bedingt durch die Rotation der Substrate unter dem Target (radial abhängige Geschwindigkeit). Die schmale Aussparung zeigt zur Achse des Drehtellers, wo die Winkelgeschwindigkeit geringer ist, als am äusseren Rand und mehr Material abgeschieden wird.

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Wie wir gesehen haben, ist eine Uniformityblende von großem Nutzen, um die Schichthomogenität zu optimieren. Doch wie immer, gibt es auch Schattenseiten. Über die Zahl der Abscheidungen wächst das Material auf der Blende stetig an, und führt dazu, dass es, wenn es zu dick geworden ist, und ggf. auch noch hohen mechanischen Stress in sich trägt, abplatzt und zu einer Partikelquelle wird.

Neben den Radialblenden gibt es noch sogenannte Kollimatoren, die dazu dienen, dass erodiertes Target-Material nur aus einem bestimmten Raumwinkel zur Abscheidung  auf das Substrat gelangt. Kollimatoren sind nützlich zum Verfüllen von Löchern oder Gräben, ohne dass an deren Seitenwänden ein übermässiges Schichtwachstum entsteht. Eine Variante besteht aus einer Art Röhre mit darin befindlichen Wabenstrukturen. Auch bei ihnen besteht die Gefahr der Partikelgenerierung, sie müssen daher, wie Radialblenden entweder  mit einer spannungsausgleichenden Haftschicht überzogen oder sehr häufig gereinigt werden.

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