DD200804A1 - Verfahren und einrichtung zum hochratezerstaeuben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Hochratezerstaeuben metallisch leitender Targets. Das Ziel ist die Erreichung langer Betriebszeiten bei hoher Schichtqualitaetsrate. Die Aufgabe besteht darin, di Beschichtungsparameter konstant zu halten und den Aufwand fuer die Stromversorgungseinrichtungen zu reduzieren. Erfindungsgemaess wird die Entladungsspannung des Gleichstrom-Plasmatrons fest eingestellt und die Magnetfeldstaerke auf der Targetoberflaeche aus einen konstanten und variablen Teil gebildet. Der variable teil wird nach Einstellung entsprechend dem Entladungsstrom so nachgefuehrt, dass der Entadungsstrom staendig konstant bleibt. Die Einrichtung besteht aus dem bekannten Plasmatronen mit Permanent- oder Elektromagneten und einer Spule, deren Wicklung im Ringspalt-Bereich angeordnet sind, zur Erzeugung des variablen Teiles des Magnetfeldes.

Description

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Verfahren /und Einrichtung zum Hochratezerstäuben Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hochratezerstäuben metallisch leitender Targets mit dem Plasmatron und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Es ist besonders geeignet für Einsatzfälle des Hochratezerstäubens, bei denen hohe Anforderungen an die Konstanz der Beschichtungsparameter gestellt werden·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Vorteile des Hochratezerstäubens haben zu einem vielseitigen Einsatz dieses Verfahrens für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete der Vakuumbeschichtung geführt. Eine der Hauptforderungen ist die Konstanz der Beschichtungsparameter über lange Zeit, insbesondere die Konstanz der Beschichtungsrate* Plasmatronquellen sind im allgemeinen mit Permanentmagneten ausgerüstet, die ein konstantes Magnetfeld erzeugen· Die geforderte Konstanz der Beschichtungsrate wird dadurch eingeschränkt, daß neben anderen Faktoren vor allem die unvermeidliche Erosion des Targets der Plasmatronquellen dazu führt, daß die auf der Oberfläche wirksame Magnetfeldstärke im Laufe der Betriebszeit des Targets zunimmt und dadurch die Brennspannung der Plasmatron-Entladung sinkt· Im Interesse einer konstanten Beschichtungsrate werden deshalb häufig Plasmatronquellen so betrieben₉ daß das Produkt aus Brennspannung und Entladungsstrom im Laufe der Betriebszeit des Targets konstantgehalten wird« Solche

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leistungsgeregelten Einrichtungen kompensieren In bestimmtem Umfang das mit kleiner werdender Brennspannung verbundene Absinken der Teilchenausbeute je Ion, welches auf das Target auftrifft, durch Erhöhung der Zahl der auf das Target treffenden Ionen·

Dieses Verfahren hat jedoch insbesondere für dicke Targets, die zur Erreichung einer hohen ununterbrochenen Betriebszeit der Piasmatronquellen notwendig sind, verschiedene Nachteile_Φ Mit zunehmender Erosion des Targets kann das Absinken der Teilchenausbeute durch die Zahl der auf das Target treffenden Ionen nicht mehr voll kompensiert werden· Dadurch sinkt auch bei leistungsgeregelten Einrichtungen die Beschichtungsrate, wenn die Targeterosion einige Millimeter erreicht hat· Bei 15 mm dicken Targets sinkt z.B. die BeSchichtungsrate am Ende der Betriebszeit etwa um ein Drittel·

Es ist naheliegend, durch eine Leistungsvorgabe nach einem zeitlichen Programm oder nach den Meßwerten eines Monitors das Absinken der Beschichtungsrate durch sukzessive Erhöhung der Leistung zu vermeiden. Dieses Verfahren wäre jedoch aufwendig und würde weitere Mängel des Standes der Technik nicht überwin- den bzw. sogar verschärfen.

Ein solcher weiterer Mangel, der sich aus der variablen Entladungsspannung ergibt, besteht darin, daß die Stromversorgungseinrichtung relativ aufwendig gestaltet und überdimensioniert werden muß. Das ergibt sich daraus, daß zu Beginn der Betriebszeit eines Targets hohe Spannung und am Ende der Betriebszeit ein hoher Entladungsstrom notwendig sind. Gegentiber der Leistungj die während der gesamten Betriebszeit des Targets angewendet werden kann, ist dadurch das Produkt aus installierter Spannung und installiertem Strom wesentlich höher, wodurch sich die Kosten für die Stromversorgung wesentlich erhöhen. Um die Leistung im Stromkreis der Piasmatronentladung zu regeln, werden nach dem Stand der Technik Thyristorsteller verwendet, die auf-

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grund ues Phasenanschnittprinzips Rückwirkungen auf das Stromversorgungsnetz verursachen, die nur durch relativ aufwendige Netzfilter auf ein zulässiges Maß reduziert werden können.

Weiterhin bestimmt die Entladungsspannung die Energie der Ionen, die auf das Target treffen. Die Energie der abgestäubten Teilchen hängt von der Energie der Ionen ab. Für Beschichtungsaufgaben mit speziellen Anforderungen, z. B, für die Metallisierung empfindlicher elektronischer Bauelemente wie MOS-Schaltkreise, führt die sich im laufe der Betriebszeit des Targets ändernde mittlere Energie der abgestäubten Teilchen zu großen Schwierigkeiten· Entweder lassen sich keine einheitlichen Beschichtungsparameter für die gesamte Betriebszeit der Targets anwenden, oder die BeSchichtungsaufgabe kann überhaupt nicht mit befriedigender Ausbeute gelbst werden.

Neben Plasmatronquellen, die mit konstantem Magnetfeld betrieben werden, sind auch solche vorgeschlagen worden, bei denen Zusatz-Magnetfelder angewendet werden. Diese Zusatzfelder dienen der Verschiebung der Erosionszone auf der Targetoberfläche und wirken sich insgesamt in einer Erhöhung der Targetausnutzung aus (DE-OS 30 04 546)·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Mängel des Standes der Technik beim Hochratezerstäuben mit Plasmatronquellen zu überwinden und über lange Betriebszeiten konstante Beschichtungen mit hoher Qualität zu erreichen·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Hochratezerstäuben metallisch leitender Targets und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die das Beschichten mit konstanten Beschichtungsparametern, insbeaon-

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dere konstanter Beschichtungsrate und konstanter mittlerer Teilchenenergie, ermöglicht. Der Aufwand für die Stromversorgungseinrichtungen ist zu reduzieren·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem im Gleichstrombetrieb arbeitenden Plasmatron, dessen magnetfelderzeugende Einrichtung zwei getrennte Magnetfelder erzeugt, derart gelöst, daß die Entladungsspannung in Abhängigkeit von der Beschichtungsaufgabe entsprechend der angestrebten Energie der aufgestäubten Teilchen im Spannungsbereich von 250 .o. 900 V gewählt und fest eingestellt wird« Die auf der Targetoberfläche wirksame Magnetfeldstärke wird aus einem konstanten und einem variablen Teil gebildet, wobei der variable Teil, vorzugsweise von kleinen Werten beginnend, so weit erhöht wird, daß sich der Entladungsstrom, ebenfalls von kleinen Werten beginnend, auf den für die Erzielung der Beschichtungsrate erforderlichen Wert einstellt» Der variable Teil des Magnetfeldes kann dabei auch zeitweilig negativ sein, d. h· dem konstanten Teil des Magnetfeldes entgegen gerichtet sein· Der sich einstellende Entladungsstrom ergibt, multipliziert mit der gewählten und fest eingestellten Spannung, den Wert der Entladungsleistung·

Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird der Wert des Entla·» dungsstromes und damit auch der Entladungsleistung dadurch konstantgehalten, daß der variable Teil des Magnetfeldes nachgeführt wird» Die Nachführung des variablen Teils des Magnetfeldes entsprechend einer Sollkurve erfolgt auch dann, wenn die Beschichtungsrate nach einem vorgegebenen zeitlichen Programm variiert werden soll oder wenn das Beschichten mit konstanter Beschichtungsrate über extrem lange Betriebszeiten erfolgt« Wegen der Verwendung von Targets sehr großer Dicke vergrößert sich im letzten Pail mit zunehmender Targeterosion der Beschichtungsabstand, ein Einfluß, der die Beschichtungsrate herabsetzen würde und auf diese Weise kompensiert werden kann·

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer Plasmatronquelle mit dem als Katode geschalteten Target,

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einer magnetfelderzeugenden Einrichtung mit Ringspalt, deren Magnetfeld mittels Permanent- oder Elektromagneten erzeugt wird, ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß zur Erzeugung des variablen Teils des Magnetfeldes eine von einem Gleichstrom, welcher Stellgröße für den geregelten Entladungsstrom ist, durchflossene Spule so angeordnet ist, daß ihre Wicklungen im Bereich des Ringspaltes parallel zu diesem verlaufen·

Es ist auch vorteilhaft, die Wicklungen unmittelbar im Ringspalt anzuordnen·

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die Spule aus mehreren Wicklungspaketen besteht, die gemeinsam oder getrennt erregt werden· Damit kann sie den geometrischen Gegebenheiten im Bereich des Ringspaltes, in dem sich auch die Kühleinrichtung für das Target befindet, gut angepaßt werden»

Die Wirkungsweise des Verfahrens und der Einrichtung ist fol~ gende:

Der Stromkreis für den Entladungsstrom ist als Regelkreis ausgeführt, dessen Stellgröße der Strom der Spule für das variable Magnetfeld ist· Der Strom, der diese elektromagnetische Spule erregt, beeinflußt auf dem Wege über das magnetische PeId die Plasmatronentladung und damit den Leistungsstromkreis der Stromversorgungseinrichtung. Die Beeinflussung des Leistungsstromkreises erfolgt zweckmäßigerweise unter Ausnutzung eines Verstärkungsfaktors zwischen der im Spulenstromkreis umgesetzten Leistung und der im Stromkreis der Plasmatronentladung umgesetzten Leistung und führt dadurch zu dem Vorteil, daß der Steller für eine niedrigere Leistung dimensioniert werden kann* Dadurch werden die bei Thyristorstellern auftretenden Uetzrückwirkungen bedeutend verringert und die bei Phasenanschnittstellern nötige Überdimensionierung der Netzzuführung praktisch vernachlässigbar·

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Das Verfahren garantiert die Konstanz der Energieverteilung der aufgestäubten Teilchen unabhängig vom Erosionszustand des Targets· Durch Wahl der Entladungsspannung kann diese Energie in relativ weiten Grenzen den Erfordernissen der jeweiligen Beschichtungsaufgabe entsprechend eingestellt werden. Damit können wichtige Schichteigenschaften wie die Haftfestigkeit, Struktur, Orientierung, Korngröße, Strahlenschäden und Beschichtungsparameter wie die Substraterwärmung beeinflußt werden. Außer dem Erosionseinfluß können auch andere Ursachen? die beim Hochratezerstäuben entsprechend dem bisherigen Stand der Technik zi*. Veränderungen der Brennspannung führen, wie Schwankungen der Targettemperatur, der Oberflächenbeschaffenheit des Targets, der Gaszusammensetzung oder des Gasdruckes in den im praktischen Betrieb vorkommenden Grenzen ausgeschaltet werden. Die Konstanthaltung der BeSchichtungsparameter entsprechend der Erfindung ist besonders zweckmäßig, weil die Zeitkonstante für die Regelung kleiner als bei Regelung anderer Parameter ist«

Diese Vereinfachung der Stromversorgungseinrichtung beim Hochratezerstäuben entsprechend der Erfindung führt zu einer erheblichen Kostensenkung der Gesamteinrichtung, weil die Stromversorgungseinrichtung den wesentlichen Aufwand der Gesamteinrichtung darstellt· Die Vereinfachung resultiert einerseits aus der Überwindung der bisher notwendigen Überdimensionierung der installierten Leistung· Zum anderen ergeben sich Einsparungen aus der angeführten Möglichkeit, durch Nutzung des Verstärkungsfaktors den Regelkreis für kleine Leistung zu dimensionieren«, Die Kosteneinsparung an der Stromversorgungseinrichtung überwiegt bei weitem gegenüber dem geringen Mehraufwand zur Realisierung der erfindungsgemäßen Piasmatronquelle·

Ausführungsbeispiel

An drei Ausführungen wird die Erfindung erläutert· In den zugehörenden Zeichnungen zeigen:

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Fig· 1: eine Piasmatronquelle mit Permanentmagneten und elektrischer Spule im Ringspalt,

Fig· 2: eine Plasmatronquelle mit Elektromagneten und elektrischer Spule im Ringspaltbereich,

Fig» 3J eine Plasmatronquelle nach Fig· 1 mit zwei Wicklungspaketen.

Die Plasmatronquelle ist mit einem 20 mm dicken Al-Target ausgerüstet. Die Beschichtungsrate soll 1^ matron von 25 kW Nennleistung betragen·

gerüstet. Die Beschichtungsrate soll 1^m min" mit einem Plas

Erfindungsgemäß wird von einer Permanentmagnetanordnung ein konstantes Magnetfeld, dessen Feldstärke zu Beginn der Betriebs« zeit auf der Oberfläche des Al-Targets 4.10^ A m beträgt^ erzeugt· Dazu wird von einer durch Strom erregten elektromagnetischen Spule ein variables Magnetfeld gleicher Richtung erzeugt. Die Brennspannung wird auf 500 V fest eingestellt., Durch Erhöhung des Stromes, der die elektromagnetische Spule erregt ₉ wird der variable Teil des auf der Targetoberfläche wirksamen Magnetfeldes solange erhöht, bis der Sollwert der Entladungsleistung von 25 kW und damit ein Entladungsstrom von 50 A er·»» reicht sind· Die Magnetfeldstärke des variablen Teils beträgt

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unter diesen Verhältnissen 20.10^ Am , die auf der Targetoberfläche wirksame Magnetfeldstärke daher 24.10^ Am· Die Hochratezerstäubung kann beginnen. Im weiteren Verlauf der Hochratezerstäubung wird der Teil des variablen Magnetfeldes derart nachgeführt, daß der Entladungsstrom konstant bleibt© Am Ende der Betriebszeit des Targets ist der Teil des variablen Magnetfeldes nahezu Null. Die auf der Targetoberfläche wirksame Magnetfeldstärke von 24·' Permanentmagnetanordnung erzeugt·

wirksame Magnetfeldstärke von 24.10-^ A m wird allein von der

Der Entladungsstrom bleibt während der gesamten Betriebszeit des Targets konstant 50 A. Eine Begrenzung der Betriebszeit

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durch die Dimensionierung der Stromversorgung tritt nicht auf« Die Betriebszeit wird nur dadurch begrenzt, daß das Targetmaterial verbraucht ist»

Die Energie der Sputterteilohen bleibt wahrend der gesamten Betriebszeit des Targets konstant· Es sind keine Unterschiede der Morphologie und der damit angestrebten Schichteigenschaften meßbar·

Figur 1 zeigt eine Plasmatronquelle zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens·

Der konstante Teil des auf der Oberfläche des Targets 1 wirksamen Magnetfeldes 2 wird durch einen Permanentmagneten 3 mit Ringspalt 4 erzeugt. Im Ringspalt 4 befindet sich eine elektromagnetische Spule 5, deren Windungen parallel zu diesem verlaufen· Die Spule 5 wird durch einen Gleichstrom erregt und erzeugt den variablen Teil des auf der Oberfläche des Targets 1 wirksamen Magnetfeldes 2· .

Die Plasmatronquelle nach Pig. 2 erzeugt den konstanten Teil des auf der Oberfläche des Targets 1 wirksamen Magnetfeldes 2 durch einen Elektromagneten, der aus der von einem konstanten Gleichstrom durchflossenen Spule 5 und dem Kern 7 besteht« Die elektromagnetische Spule 5 befindet sich im Bereich des Ringspaltes 4, um den variablen Teil des Magnetfeldes (2) zu erzeugen,

Figur 3 zeigt eine weitere Plasmatronquelle, die sich von der in Fig» 1 dargestellten dadurch unterscheidet, daß die zur Erzeugung des variablen Teils des auf der Oberfläche des Targets wirksamen Magnetfeldes 2 verwendete elektromagnetische Spule aus zwei Wicklungspaketen 8; 8· besteht, die zu beiden Seiten eines Kühlrohres 9 angeordnet sind·

Es ist dabei vorteilhaft, wenn die beiden Wicklungspakete 8; 8¹ an Stromversorgungen entgegengesetzter Polarität angeschlossen

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werden» Der variable Teil der auf der Targetoberfläche wirksamen Magnetfeldetärke wird zu Beginn der Betriebszeit eines Targets ohne Erosion durch das eine Wicklungspaket 8 erzeugt und ist dem konstanten Teil der wirksamen Magnetfeldstärke gleichgerichtet· Mit zunehmender Targeterosion wird der Teil des variablen Magnetfeldes entsprechend vermindert und beträgt bei einem halberodierten Target Null· Um das Target bis zu einer sehr geringen Restdicke nutzen zu können, wird durch daa Wicklungspaket 8¹ ein variables Magnetfeld erzeugt, das dem konstanten Teil des wirksamen Magnetfeldes entgegen gerichtet ist.

Ein Vorteil dieser Piasmatronquelle ist, daß die zur Erregung der Wicklungspakete 8; 8¹ notwendige Stromversorgung ein und dieselbe sein kann und für geringe Leistung dimensioniert und daher kostengünstig realisierbar ist.

Claims (6)

232493 7 10 Erfindungsanspruch

1» Verfahren zum Hochratezerstäuben mit einem Plasmatron im Gleichstrombetrieb mit einer magnetfelderzeugenden Einrichtung, die zwei getrennte Magnetfelder erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Entiadespannung in Abhängigkeit von der Beechichtungsaufgabe entsprechend der angestrebten Energie der aufgestäubten Teilchen im Spannungsbereich von 200 V ... 900 V gewählt und fest eingestellt wird, daß die auf die Targetoberfläche wirksame Magnetfeldetärke aus einem konstanten und einem gleichgerichteten variablen Teil gebildet wird und der variable Teil, vorzugsweise mit kleinen Werten beginnend, so weit erhöht wird, bis sich der Entladungsstrom auf den für die Erzielung der Beschichtungsrate erforderlichen Wert eingestellt hat, und daß im Verlaufe

der Zerstäubung des Targets durch Reduzierung des variablen Teils des Magnetfeldes der Entladungsstrom konstant gehalten oder entsprechend einer Sollkurve geführt wird·

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Teil des Magnetfeldes dem konstanten Teil des Magnetfeldes entgegengerichtet wird und im Verlaufe der Zerstäubung des Targets hochgeregelt wird·

3· Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Teil des Magnetfeldes durch zwei Wicklungen erzeugt wird, die so erregt werden, daß anfangs nur die eine Wicklung ein variables, dem konstanten Magnetfeld gleichgerichtetes Magnetfeld erzeugt, daß dieses variable Magnetfeld im Verlaufe der Zerstäubung des Targets bis auf Null reduziert wird und daß im weiteren Verlauf durch die andere Wicklung ein variables, dem konstanten Magnetfeld entgegengerichtetes Magnetfeld erzeugt wird, welches im weiteren Verlauf erhöht wird·

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4» Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 und 2, bestehend aus einer magnetfelderzeugenden Einrichtung mit Ringspalt, deren Magnetfeld durch einen Permanentmagneten oder Elektromagneten erzeugt wird, und dem als Katode geschalteten Target, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der magnetfelderzeugenden Einrichtung eine von Gleichstrom., welcher Stellgröße für den geregelten Entladungsstrom ist, durchflossene Spule (5) zur Erzeugung des variablen Teiles des Magnetfeldes so angeordnet ist, daß ihre Wicklung im Bereich des Ringspaltes (4) parallel zu ihm verläuft«

5· Einrichtung nach Punkt 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Spule (5) im Ringspalt (4) angeordnet sind«

6· Einrichtung nach Punkt 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet!, daß die Spule (5) aus mindestens zwei oder mehreren Wicklungspaketen (8; 8·) besteht·

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen