DD219354A1

DD219354A1 - Verfahren zur regelung der plasmaparameter in vakuumbeschichtungseinrichtungen mit bogenentladungen

Info

Publication number: DD219354A1
Application number: DD25320783A
Authority: DD
Inventors: Frank Schrade; Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1983-07-20
Filing date: 1983-07-20
Publication date: 1985-02-27
Also published as: JPS60121265A; DE3426145A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Plasmaparameter in Vakuumbeschichtungseinrichtungen mit Bogenentladungen, wie sie zur Erzeugung plasmagestuetzt abgeschiedener Schichten (ion plating) eingesetzt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine Regelung der Homogenitaet der Plasmaparameter realisiert werden kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass innerhalb der Beschichtungskammer, in der das Plasma fuer die plasmagestuetzte Beschichtung aufrechterhalten wird, an zwei verschiedenen Stellen mittels je einer Langmuir-Sonde die Plasmaparameter gemessen werden, dass die sich einstellenden Sondenstroeme miteinander verglichen werden und das Plasma ueber eine Veraenderung der Bogenbahn so beeinflusst wird, dass die Differenz der Sondenstroeme der beiden Langmuir-Sonden (bei einem vorgegebenen Sondenpotential) ein Minimum einnimmt. Fig. 1

Description

Verfahren zur Regelung der Plasmaparameter in Valcuumbeschichtungseinrichtungen mit Bogenentiadungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Einrichtung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Piasmaparameter in Vaküumbeschichtungseinrichtungen mit Bogenentiadungen, wie sie zur Erzeugung plasmagestützt abgeschiedener Schichten (ion plating) eingesetzt werden. Insbesondere liegt dabei das Einsatzgebiet bei plasmagestützten Beschichtungsprosessen, bei denen die Bogenentladung mit Kohlkatodenbogenverdampfern realisiert wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der letzten Zeit hat sich die plasmagestützte Abscheidung von Schichten, insbesondere von Hartstoffschichten, sehr schnell entwickelt. Sine Vielzahl von Verbesserungsvorschlagen-zum Verfahren, wie es i.Iatto:: (US? 3_s329₅601) . beschrieben hat, betrifft auch die Regelung der einseinen Prozeßparameter, wie Drücke, Casparameter oder .Potentiale. Die Bedeutung der Plasmahomogenität wurde offensichtlich bi'sher als unerheblich erachtet. Wesentliche Veröffent-

20. lichungen, z. B. Schiller/Heisig "Bedampfungstechnik" V23 Verlag Technik 1975, sehen darauf nicht .ein. Die zunehmende großtechnische .-Uiv/endung des Verfahrens verlangt vom Verfahrensregeln eine außerordentlich, hohe

.. Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Schichten, Uh- "'^: :.t ersuchungen dazu haben ergeben, daß die. Homogenität des

Plasmas in der Beschichtungskammer für die Gleichmäßig--.. , ' _. Ice it der Schichten nicht unwesentlich ist. Einrichtungen ^: 5 des. Standes der' Technik zur Ermittlung und Kennzeichnung des Plasmas in der Beschichtungskammer sind lediglich für Laboreinrichtungen bekannt, ,ohne daß das Plasma selbst be- ' '. "' ' einflußt wird.. Die eingesetzten Diagnoseverfahren sind alle sehr aufwendig und störanfällig, so daß sie für indtistriel-10 Ie Anlagen .kaum Anwendung finden können.

In der DE-OS 2947 4-82 wird z. B. eine Einrichtung zur Überwachung und Steuerung von Plasmaprozessen beschrieben, die {-^: . ' eine quantitative und qualitative Steuerung der Plasmaprozesse mittels eines Massenspektrometer ermöglicht. Die Einrichtung gestattet den nachweis aller im Plasma befind- * liehen ionisierten Teilchen. /

nachteilig ist aber, daß der nachweis nur an -einem spezifischen Ort erfolgt. Die gleichzeitige Ermittlung der. Pias-. masustände an einem anderen Ort in der Beschichtungskammer ist nicht möglich. Damit ist die Einrichtung auch nicht geeignet, eine Aussage zur Homogenität, des Plasmas in der gesamten Kammer zu machen bzw. diese zu regeln.

Ziel der Erfindung . ' . ,

Die Erfindung hat das Ziel, bei plasmagestützten Beschichtungsproze^sseri eine hohe reproduzierbare Gleichmäßigkeit, der Schichteigenschaften über ausgedehnte, komplizierte Substratoberflächen mit geringem technischen Aufwand, zu gewährleisten. ·

Darlegung des Vfesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgab« zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,, mit dem eine Regelung der Horno'genitat der Plasmaparameter realisiert werden .kann.

halb der Beschiclitungsicammer, in der das ru.asma für axe plaumagestützte Beschichtung aufrechterhalten wird, an ' 3v;ai verschiedenen Stellen mittels je einer Langmuir-Son-

stellenden Sondenströme miteinander verglichen werden und das Plasma über eine Veränderung der Bogenbahn so beein- . flu;it wird, dai; die Ji fferens der Sendenströme der beiden Langmuir-Sönden (bei einem vorgegebenen Sondsnpotential}

ein LIinimum einnimmt'. ' '

Bei einen theoretisch völlig homogenen Plasma wäre der Diiferenswert gleich hull. In der Praxis hat sich aber geneigt, daß in einer größeren Proauktionsanlage mit nur einer Plasmaentladung keine absolute Homogenität, eraielcar

ist. ' . .. .'

Für die praktischen Beschichtungsprosesse. ist es aber ' schon sehr .vorteilhaft die minimal mögliche Differenz der Sendenströme verfahrenstechnisch ^u gewährleisten. Die günstigsten Positionen der Langmuir-Sonden in der Be-Schichtungskammer sind die beiden e::tremen Orte der Substrate sin Ort der Bogenentladung. Im allgemeinen handelt es sich um Planetenbewegungen der Substrate. Die Sonaenpositionen sollen also so-gewählt werden, daß sie gewisse unterschiedliche Plasmabereiche erfassen· So sollte bei

1 '' 7 V^] h'\)

Der entscheidende Einfluß auf die Schichtausbildung bei plasmagestützten Beschichtungsprozessen wird durch die im. Plasma befindlichen Ionen, speziell deren Konaentra- ·.. tion und Temperatur, ausgeübt.

Diese beiden Kenngrößen werden durch den Teil A der Spndenkennlinie in Pig. 3 charakterisiert. Srfindungsgemäß wird deshalb dieser Bereich bzw. ein Punkt dieses Berei-, , . ches bei beiden Sonden miteinander verglichen. Dies wird dann erreicht, wenn die Sonden ein, gegenüber dem Floatingpotential, d.h. demjenigen Potential, bei dem der Sondenstrom Hüll wird, negatives Potential erhalten. Diese Beeinflussung der Bogenentladung zur Erreichung einer maximalen Homogenität der Plasmaparameter erfolgt erfindungsgemäß ^: durch die Beeinflussung des bei Bogenentla-

T5 dungseinrichtungen immer erforderlichen Magnetfeldes zur Lenkung des Bogens. Ss wird somit die Funktion 3Ic_on(q /U^ _

&^er beiden Sonden durch einen Differenz-

de-co ο-*- ⁼ f

' verstärker verglichen und über 'entsprechende Stellorgane die Differenz Δ Ig ·, minimiert. Durch eine günstige 7JaJaI der Orte, an denen- die Sonden in das Plasma eintauchen bzw. , eine Anpassung der Sondengeometrie,, muß gesichert werden, daß äie Punktion I_Sonde/U_Sonde=cons1._#=f (H) für die beiden

. Sonden.keine gemeinsamen Schnittpunkte besitzt und die Funktion. AIo j= f (H) hur ein Minimum aufweist. Das Auftreten

nur eines Minimums ist Voraussetzung für das Funktionieren der Regelung. Bei. mehreren Minima e.x. entstehen mehrere gleichwertige Zielfunktionen,.die die Regelung nicht unterscheiden kann. ' Durch die _tAnwendung des .erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglieh, auch bei Substraten, die nicht in einer horizontalen Ebene über der Verdampfungseinrichtung angebracht sind, sondern sich räumlich in verschiedenen Abstanden vom Verdampfer befinden, eine gleichmäßige Beschichtung-durchzuführen. "Bei ausgedehnten Plasmaräumen, ist ohne das erf'in-

'35 dungsgemäße Verfahren eine gleichmäßige Beschichtung nicht su erreichen, ohne da/9.festgelegte technologische Parameter,

wie Verdampfungsrate, Gasdruck u. ä., geändert werden. Da die Sonden in ihrer Ausdehnung sehr klein gehalten werden können, ist ihre Rückwirkung auf da's Plasma, gering und für den Beschichtungsprozeß ohne Bedeutung.

Durch die Nutzung von im allgemeinen bei Bogenentladungseinrichtuhgen vorhandenen Mitteln zur Ablenkung des Bogens bzw. zu dessen Po.kussierung, wie z. B. magnetfelderzeugende Einrichtungen, ist der technische Aufwand sehr gering. Die Güte der Regelung ist natürlich abhängig von der Wirkung der die Bogenbahn beeinflussenden Mittel auf ., die Plasmakonfiguration im gesamten Vakuumraum. Im allgemeinen führen jedoch bereits geringe Änderungen der Bogenbahn zu relativ großen Verschiebungen der Plasmakonfiguration·

Ausführungsbeispiel . '

Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen . , Pig. 1: eine Einrichtung mit Hohlkatodenbogenverdampfer' Pig. 2: eine Einrichtung mit Elektronenstrahlverdampfer Pig. 3: die Kennlinie der Langmuir-Sonden Pig.· 4: die Al-Kurve von zwei Langmuir-Sonden · Pig. 1: zeigt in einer Vakuumkammer 1 einen Hohlkatodenbogenverdampfer 2 sowie eine Substrathalterungsvorrichtung mit,Substraten. 4· Weiterhin befinden sich in der Kammer 1, außer den,notwendigen Sensoren für Gasdruck, Temperatur, "Beschichtungsrate u. ä., zwei erfindungsgemäße Langmuir-Sonden 5 und 6. Die Sonde 5 ist in unmittelbarer ITähe des Verdampfers etwa 50 mm oberhalb der Tiegelebenen angjsord-.net. Die Sonde 6 liegt senkrecht über der Sonde 5 in einem Abstand von 500 mm oberhalb des Hohlkatodenbogenverdampf ers 2. Durch diese unterschiedlichen Abstände der Sonden 5 und 6 von der plasmaerzeugenden Einrichtung, dem Kohlkatodenbogenverdampfer 2, werden die tatsächlich am Ort der oberen, an der Substrathalterungsvorrichtung 3 an-

geordneten Substrate 4 als auch'die am Ort der unteren, am Substrathalter angeordneten Substrate 4 existierenden Plasmabedingungen : ermittelt. Die Sonden 5 und 6 sind mitteis der Spannungsquelle 7 mit einem definierten Potential beaufschlagt worden· Die sich an den Sonden 5 und 6 einstellenden Ströme Ig werden im Differensverstärker S verglichen und das Differenzsignal über die Stelleinrichtung 9

; der',magnet f.eider zeugenden Einrichtung 10, welche den vfeg des Hohlkatodenbogens 11 beeinflußt, zugeführt. Diese magnetf eiderzeugende. Hinrichtung 10 besteht aus einer stromdurchflossenen Spule, die unterhalb der Tiegelebenen angeordnet ist und ,aus einem der Siegelform angepaßten Weicheisenkern. Die Einstellung des transversalen Magnetfeldes erfolgt über eine Einstellung des Spulenstromes. Beide Son-

15--den 5 und 6 sind als Zylindersonde.n ausgebildet, die einen Durchmesser von 0,5 mm und eine effektive Länge von 5 mm besitzen. Sie sind durch entsprechende Abschirmungen .von der direkten Beaufschlagung mit Metalldampf geschützt und elektrisch, mit den äußeren Regeleinrichtungen verbunden.

Die Zuleitungen' sind elektrisch isoliert angebracht. Um die thermische Stabilität der Sonden 5 und 6 zu gewährleisten, wird ein hochschmelzendes Material wie Wolfram oder Molybdän eingesetzt. . .' Da das ÜFloatingpotential der Sonden 5 und 6 stark von der Verdampferleistung abhängig ist, werden diese mit einem konstanten Potential von -10 V gegenüber Hasse beaufschlagt und damit garantiert, daß der Arbeitspunkt immer im Bereich ¹A der Kennlinie nach IPigur 3 liegt.

Figur 4 zeigt die Punktion I^ = f(I-_:. _). Ss zeigt sich, daß

im Variationsbereich von I,_T ein Differenzminimum auftritt.

i^ag.

Ziel der elektronischen Regelung ist es, den Strom I_T._Tor, so

einzustellen,¹- daß die Sondenstromdiiferenz dieses Minimum annimmt. Damit ist der Unterschied der Ionenkonzentration- und temperatur am Ort der Sonde 5 und der Sonde 6 minimal .und die größtmögliche Plasmahomogenität unabhängig von^.den

Verdampfungsparametern und-dem Gasdruck gewährleistet·

Figur 2 zeigt die Anordnung einer Vakuumkammer 1 mit ei-· nein Slektronenstrahlverdampfer 12 zur Metalldampf erseugung und eine Jonisierungseinrichtung zur Plasmaerzeugung,'bestehend aus einer Hohlkatode 13, einer Ablenkspule 14 sowie einer Anode 15· Weiterhin "befinden sich in der Kammer 1 Substrathalterungen 3 und Substrate 4· Der Gaseinlaß für zusätzliche Arbeitsgase bei reaktiven Beschichtungsprozessen erfolgt über das Ventil 16;

Die Sonden 17 und 18 sind an zwei voneinander weit entfernten Orten angebracht. Diese Sonden 17 und 18 sind als Zylindersonden ausgebildet. Das durch das Stromversorgungsgerät 19 bereitgestellte Sondenpotential beträgt -1 V gegen-., über Masse. Die sich einstellenden Sondenströme wirken über einen Differenzverstärker 20, eine Stelleinrichtung 21 auf die magnetische Ablenkspule 14, die in der Nähe der Anode 15 ein magnetisches Streufeld erzeugt, das in der Lage ist, die Bahn, des Bogens ZYri.sch.en der Hohlkatode 13 und.der Anode 15 zu verändern.

' Da sich bei den gegebenen geometrischen und plasmaphysikalischen Bedingungen die Möglichkeit ergibt, daß sich die Punktionsverläufe I_c = f (H) der Sonden 17 und 18- im Va-

riationsgebiet von H schneiden und kein eindeutiges Minimum auftritt, wurden die Sondenoberflächen unterschiedlich groß gewählt. Dadurch vergrößert sich die Differenz AIg im gesamten Bereich von H und die Regelung arbeitet stabil und erreicht die Homogenität der Plasmaparameter im gesamten BeSchichtungsraum unabhängig von dem Elektronenstrahlverdampfer 12. >

Claims

Patentanspruch. ·' ' -. : , ·

1. Verfahren zur Regelung der .Plasmaparameter in Vakuumbe- '. schichtungseinrichtuhgen mit Bogenentladungen, . insbesondere ' -Bogenentladung^ verdampf er, Sonden zur Bestimmung ; . der .Plasmaparameter und Mitteln zur Veränderung der Bogenbahn, dadurch, gekennzeichnet, daß 'die Plasmaparameter an zwei verschiedenen bestimmten Stellen, in der Besciiichtungskammer mittels je einer Langmuir-Sonde gemessen wer-' „ den und die Differenz der.sich einstellenden Sondenströme bei einem vorgegebenen Sondenpotential als Regelgröße für , die Bogenbahn ausgenutzt wird, derart, daß die Differenz der Sondenströme minimal wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaparameter mittels einer Langmuir-Sonde in der Nähe des minimalen Abstandes und einer Langmuir-Sonde in der

Mähe des maximalen Abstandes zwischen Verdampferquelle ,und Substrat gemessen werden.

3« Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das .Sondenpotential so gewählt wird, daß die Sonde im lonen-Sättigungsgebiet arbeitet. .

4· Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Sondenströme durch Vergrößerung nur einer Sondenoberfläche erhöht wird.

Hierzu 3 Seiten Zeichnung