DD221202A1 - Einrichtung zur verhinderung von ueberschlaegen beim hochratezerstaeuben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung von Ueberschlaegen beim Hochratezerstaeuben mit dem Plasmatron im Gleichstrombetrieb. Das Ziel ist die Gewaehrleistung eines stoerungsfreien Betriebes, und die Aufgabe ist es, ohne wesentliche zusaetzliche Aufwendungen Ueberschlaege am Plasmatron zu verhindern. Erfindungsgemaess ist in unmittelbarer Naehe des Plasmatrons ein Kondensator zwischen den Anoden- und Katodenanschluss geschaltet. Figur

Description

Einrichtung zur Verhinderung von Überschlägen beim Hochratezerstäuben 7

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung von Überschlägen beim Hochratezerstäuben reaktiver Targetmaterialien mit dem Plasmatron im Gleichstrombetrieb, insbesondere zur Abscheiciung von Verbindungen durch reaktives Hochratezerstäuben.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Abscheiden von Verbindungen durch reaktives Zerstäuben im Gleichstrombetrieb wird ein Target aus einem reaktiven Material in einem Argon/Reaktionsgasgemisch, z..B. Argon/Sauerstoff, zerstäubt. Durch die auf das Target auftreffenden Atome bzw. Ionen des Reaktionsgases wird auf dem Target eine Schicht aus einer Verbindung gebildet, die durch Reaktion der Targetatome mit den Atomen des Restgases entsteht». Eine Reihe dieser Metallverbindungen weisen ein sehr gutes Isolationsvermö'gen auf. Die nachteilige Wirkung dieser Verbindungen auf den Vorgang der Schichtabscheidung wird im folgenden anhand der Oxide erläutert.

Bei Piasmatronentladungen ist die Zerstäubungsrate in den Bereichen hoher lonenstromdichte auf dem Target so groß, daß sie bei den üblicherweise verwendeten Sauerstoffpartialdrücken die Oxidationsrate übersteigt. Diese Bereiche des Targets bleiben also frei von Oxiden. Nach beiden Seiten des Entladungsringes fällt die lonenstromdichte jedoch steil ab, so daß auf dem Target immer ein Bereich entsteht, in dem die örtliche Oxidations-·

rate gleich oder größer ist als die Zerstäubungsrate. In diesen Bereichen wächst eine Oxidschicht auf, die hochisölierend ist. Die auf diese Schicht auftreffenden lonea führen zu deren Aufladung. Durch die unterschiedliche Dicke derartiger Schichten sind immer Stellen vorhanden, bei denen diese Aufladung zum elektrischen Durchbruch führt. In der Durchbruchsteile werden durch Verdampfung und Dissoziation des oxidischen Materials zusätzliche Ladungsträger freigesetzt, so daß sich die Piasmatronentladung zu einem Lichtbogen einschnüren kann. Der hohe Entladungsstrom im Lichtbogen führt zur Beseitigung der Oxidschicht an dieser Stelle und in der näheren Umgebung. Durch die Ausbreitung der im Lichtbogenansatzpunkt in Wärme umgesetzten Energie wird die Oxidschicht auch in Form größerer Teilchen vom Target abgerissen. Diese Schichtpartikel fliegen bei beliebigen Beschichtungsrichtungen zu einem großen Teil zum Substrat und führen dort zu Störungen des Schichtaufbaus. Im äußeren Stromkreis können diese Durchbrüche in Form von Stromspitzen registriert werden.

Ähnliche Probleme entstehen, wenn ein Target aus reaktivem Material in reinem Argon betrieben wird. Dabei treten in der Regel beim erstmaligen Einsputtern neuer Targets Schwierigkeiten auf, die durch besondere Maßnahmen, z. B. längsames Steigern der Entladungsleistung, überwunden werden müssen. Auch nach dem Belüften bereits eingesputterter Targets oder nach dem Einschleusen von Substratpaletten kann durch Desorption von Wasserdampf und dessen anschließende Dissoziation eine Targetoxidation auftreten. Daher ist bei reaktiven Targetmaterialien häufig eine Neigung zum Einsatz von Lichtbögen mit den entsprechenden negativen Begleiterscheinungen zu beobachten.

Es ist bekannt, das Aufwachsen von Oxidschichten in den Bereichen geringerer Dichte des Ionenstromes im Entladungsring zu unterbinden. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, die Entladungsbahnen der Plasmatronentladung so nahe aneinander zu legen, daß die Zerstäubungsrate zwischen den Bahnen den kritischen Wert nicht unterschreitet. Eine solche Anordnung führt jedoch zu Schwie-

rigkeiten beim Aufbau des erforderlichen Magnetsystems. Außerdem sind immer äußere Randbereiche vorhanden, die sich auf diese Weise nicht beseitigen lassen«

Es ist auch bekannt, die Randbereiche der Entladung durch Isolatorscheiben, vorzugsweise aus Quarzglas, abzudecken. Diese Scheiben weisen aufgrund ihrer Dicke eine so hohe Spannungsfestigkeit auf, daß Durchschläge und damit das Entstehen von Lichtbögen ausgeschlossen werden. Aus Festigkeits- und technologischen Gründen können jedoch Quarzglasscheiben nur mit einer Mindestdicke von etwa einem Millimeter hergestellt werden. Bei diesen und insbesondere bei größeren Dicken der Isolatorscheiben ist es nicht möglich, den oxidfreien Bereich bis an den Rand der Abdeckung auszudehnen, da die Ladungsträgerverluste infolge Rekombination an den Wandungen der Abdeckung die Entladungsdichte in diesem Bereich reduzieren. Damit bildet sieh trotz der Abdeckung eine schmale Randzone aus Oxiden aus, die wiederum Ursache von Lichtbögen sein kann. Hinzu kömmt, daß auch bei reaktiver Betriebsweise die Targets in gewissen Zeitabständen in reinem Argon frei gesputtert werden müssen. Dadurch gelangt eine leitende Metallschicht auf die Isolatorscheiben, so daß nachfolgend aufgebrachte Oxidschichten wieder zu Durchschlagen neigen.

Als weitere Maßnahme ist es bereits bekannt, durch elektrische Strombegrenzung in der Piasmatronstromversorgung die schädliche Auswirkung der Überschläge zu verhindern. Die elektrische Strombegrenzung besteht dabei in einer kurzzeitigen Abschaltung der Spannung durch die Thyristorsteiler der Stromversorgung. Dabei kommt es naturgemäß zum Ausschalten der Plasmätronentladung in einem Zeitraum von 10 bis 50 ms (DD-PS 141 532, 146 306). Das führt beim reaktiven Betrieb zur völligen Oxidation des Targets, da das Gleichgewicht zwischen Zerstäubungs- und Oxidationsrate zugunsten der Oxidation verschoben wird. Beim Wiederzünden der Entladung muß diese Oxidschicht erst durchschlagen werden, wodurch eine große Neigung zum Keueinsatz einer Lichtbogenentlaiiurig hervorgerufen wird. Bs entstehen die beim reaktiven Betrieb häufig zu beobachtenden Überschlagskaskaden. Das mit dem Auftreten

stromstarker Überschläge verbundene Ablösen von Schiehtteilch'eii ! kann auf diese Weise nicht unterbunden werden, da ein deutlicher ) Stromanstieg !for aus Setzung für das Einsetzen der Abschaltung ist ·

Ziel der Erfindung ist es, die Schwierigiceitenj die beim Hochratezerstäuben reaktiver Targets im Gleichstrombetrieb auftreten, zu vermeiden und einen störungsfreien Betrieb sowohl in reinem .Argon als auch im Argon/Reaktionsgasgemisch zu ermöglichen.

Darlegung des Lesens der Erfindung / ; ;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Verhinderung von Überschlägen beim Hochratezerstäuben von reaktiven Targetmaterialien zu schaffen, die ohne zusätzliche Maßnahmen in der Piasmatronstromversorgung auskommt und für jedev Etitladungsgeometrie anwendbar is'ti,-/.; V :

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unmittelbar am Plasmatron ein Kondensator, vorzugsweise; mit einer Kapazität von 30 nl bis 300 nF pro cm Länge des Plasmatronentladungsringes und mit einer Restinduktivität von weniger als 1 μΗ, zwischen Katoden- und Anodenanschluß bzw, die als Anode wirkende Vakuumkammer geschaltet ist. ^w :

Durch die Schaltung eines Kondensators mit der angegebenen Kapazität parallel zur Piasmatronentladung wird erreicht, daß bei einem Durchschlag der aufgewachsenen Isolationsschicht die Stromdichte im örtlich eng begrenzten Lichtbogenansatzpunkt im Bereich von Mikrosekunden durch die Entladung des Kondensators sehr, hohe Werte annehmen kann. Es kommt zur blitzartigen Verdampfung der Oxidschicht in der nächsten Umgebung. Die Wiederaufladung des Kondensators erfolgt über den wesentlich größeren Wellenwiderstand der Zuleitung einschließlich Stromversorgung. Daher sinkt die Spannung am Kondensator und damit über der Plasinatr orient ladung im Zeitraum von einigen Mikrosekunden stark ab, ohne.'..daß'

eine entsprechend schnelle Nachladung durch die Stromversorgung erfolgen könnte. Damit verlös ent der Lichtbogen in extrem kur% er Zeit wieder. Das Wiedereinsetzen der .'Plasmatronentladung erfolgt problemlos, da die Rekombinationszeit für die Ladungsträger im Bereich von 10 bis 30 >s liegt. Ebenso ist die Bedeckung des Targets mit Oxidschichten wegen des kurzen Aussetζens der Plasmatronent ladung entsprechend gering. Das Auftreten von Lichtbogen wird durch den Kondensator also nicht unterbunden, sondern in eine Vielzahl von Ereignissen mit sehr hoher Stromdichte, jedoch extrem starker örtlicher und zeitlicher Begrenzung aufgelöst. Die Stromstärke im Bogen bleibt gering und wird im Stromkreis zwischen Kondensator und Plasmatronent ladung nur bei Beobachtung mit entsprechend schnellen Impulsoszillographen sichtbar. Visuell kann dieses veränderte Verhalten in Form einer Vielzahl kleiner Lichtblitze in den Randbereichen der Entladung beobachtet werden.

Durch die extrem kurzzeitigen >'urchbrüche entstehen keine Störungen des Schichtaufbaus, da .ich die Wärme im Ansatzpunkt des Lichtbogens innerhalb der kurzen Zeitspanne des Bestehens nicht ausbreiten kann. Andererseits \.ird durch die Vielzahl von stromschwachen Überschlägen, der Übergangsbereich der Entladung zwischen metallischen Targetbereichen und Oxidschichten leitfähig erhalten. Fehlt der Kondensator, dann erfolgt der Stromanstieg im Lichtbogen wegen der in der Piasmatronstromversorgung vorhandenen Induktivitäten und des Wellenwiderstandes der Zuleitung wesentlich langsamer. Damit laufen auch die Vorgänge im Ansatzpunkt des Lichtbogens langsamer ab. Die Wärme kann sich ausbreiten, und es kommt zu einer wesentlich vergrößerten Katodenflache für den Lichtbogen und damit zu einem stromstarken Überschlag mit den bereits geschilderten äußerst störenden Nebenwirkungen.

Eine ähnliche Funktion besitzt der Kondensator beim Binsputtern neuer Targets bzw. beim Betrieb von stark reaktiven Targets in Argon unter unzureichenden Restgasbedingungen. -

Ausführungsbeispiel·

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Schaltung, die das ^Entstellen; von Überschlägen verhindert. < "' ·.: ·

Die Stromversorgungseinrichtung 1 der Plasmatron-Zerstäubungseinrichtung ist mit ihrem Minuspol mit dem Target 2 verbunden, welches als Katode wirkt. Der Pluspol ist mit der Anode 3 der Plasmatronquelle verbunden, die im Vakuumbehälter 4 angeordnet ist. Das zu beschichtende Substrat 5 befindet sich über dem Target 2. Brfindungsgemäß ist zwischen den Plus- und Minuspol ein Kondensator 6 geschaltet, der sich außerhalb des Vakuumbehälters 4 befindet und eine Kapazität von 5 μ3? und eine Resting duktivität von < 1 μΗ besitzt.

Claims (2)

1. Brfindungsanspruch

   1. Einrichtung zur"Verhinderung von Überscälagen beim Hpciirate~ zerstäuben mit dem Plasmatron im Gleichstrombetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar an der Plasmätronquelle zwischen den Eat ο den- und Anodenanschluß "bzw. .-den als Anode
   wirkenden Vakuumbehälter (4) ein Kondensator (6) geschaltet

   . .ist.v. . '"' -:'.' ' ' .. .'.' '; "'-' : ' " ϊ. :,; \ / : . -^::^::''-^:-:.
2. 2. Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
   Kondensator eine Kapazität von 30 nP bis 300 nF pro cm Länge des Piasmatronentladungsringes und.eine Restinduktivität
   von weniger als 1 μΗ besitzt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen