DD221202A1

DD221202A1 - DEVICE FOR PREVENTING EXCEPTIONS IN HIGH-RATE SCREENING

Info

Publication number: DD221202A1
Application number: DD25797883A
Authority: DD
Inventors: Christian Korndoerfer; Karl Steinfelder; Johannes Struempfel; Siegfried Schiller; Ullrich Heisig
Original assignee: Fi Manfred V Ardenne
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1985-04-17

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. FigurThe invention relates to a device for the prevention of Uberschlaegen the Hochratezerstaeuben with the Plasmatron in DC operation. The goal is to ensure a trouble-free operation, and the task is to prevent without significant additional expenses Überschaegege on Plasmatron. According to the invention, a capacitor is connected between the anode and cathode terminals in the immediate vicinity of the plasmatron. figure

Description

Einrichtung zur Verhinderung von Überschlägen beim Hochratezerstäuben 7Device for preventing flashovers during high rate sputtering 7

Field of application of the invention

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.The invention relates to a device for preventing flashovers in high rate sputtering of reactive target materials with the plasmatron in DC operation, in particular for the separation of compounds by reactive Hochratezerstäuben.

Characteristic of the known technical solutions

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.When depositing compounds by reactive sputtering in DC operation, a target of a reactive material in an argon / reaction gas mixture, z..B. Argon / oxygen, atomized. The atoms or ions of the reaction gas impinging on the target form on the target a layer of a compound which is formed by reaction of the target atoms with the atoms of the residual gas. A number of these metal compounds have a very good Isolationsvermö'gen. The adverse effect of these compounds on the process of the layer deposition will be explained below with reference to the oxides.

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-·In Piasmatron discharges, the sputtering rate in the regions of high ionic current density on the target is so great that it exceeds the oxidation rate at the oxygen partial pressures commonly used. These areas of the target thus remain free of oxides. However, on both sides of the discharge ring, the ion current density drops sharply, so that there is always an area on the target in which the local oxidation

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.rate is equal to or greater than the sputtering rate. In these areas, an oxide layer grows, which is hochisölierend. The ions impinging on this layer lead to their charging. Due to the different thickness of such layers are always places where this charge leads to electrical breakdown. In the breakthrough parts additional charge carriers are released by evaporation and dissociation of the oxide material, so that the Piasmatronentladung can constrict into an arc. The high discharge current in the arc leads to the removal of the oxide layer at this point and in the immediate vicinity. As a result of the propagation of the energy converted into heat in the arc starting point, the oxide layer is also torn off the target in the form of larger particles. These layer particles fly in any coating directions to a large extent to the substrate and there lead to disruption of the layer structure. In the outer circuit these breakthroughs can be registered in the form of current peaks.

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.Similar problems arise when a target of reactive material is operated in pure argon. In this case, difficulties usually arise when sputtering new targets for the first time. B. längsames increase the discharge power must be overcome. Even after the aeration of already sputtered targets or after the introduction of substrate pallets, a target oxidation can occur by desorption of water vapor and its subsequent dissociation. Therefore, with reactive target materials, there is often a tendency to use arcs with the corresponding negative side effects.

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-It is known to prevent the growth of oxide layers in the regions of lower density of the ionic current in the discharge ring. One of these measures is to place the discharge paths of the plasmatron discharge so close together that the sputtering rate between the webs does not fall below the critical value. However, such an arrangement leads to difficulties

rigkeiten beim Aufbau des erforderlichen Magnetsystems. Außerdem sind immer äußere Randbereiche vorhanden, die sich auf diese Weise nicht beseitigen lassen«the design of the required magnet system. In addition, there are always outer peripheral areas that can not be removed in this way «

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.It is also known to cover the edge regions of the discharge by insulator disks, preferably of quartz glass. Due to their thickness, these disks have such a high dielectric strength that breakdowns and thus the occurrence of electric arcs are precluded. For reasons of strength and technology, however, quartz glass panes can only be produced with a minimum thickness of about one millimeter. With these and in particular with larger thicknesses of the insulator disks, it is not possible to extend the oxide-free region to the edge of the cover, since the charge carrier losses due to recombination on the walls of the cover reduce the discharge density in this region. Thus, despite the cover, it forms a narrow border zone of oxides, which in turn can be the cause of electric arcs. In addition kömmt that even with reactive operation, the targets must be freely sputtered at certain intervals in pure argon. As a result, passes a conductive metal layer on the insulator discs, so that subsequently applied oxide layers tend to strike through again.

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 AuftretenAs a further measure, it is already known to prevent the harmful effect of the flashovers by electrical current limitation in the piasmatron power supply. The electrical current limit consists in a short-term shutdown of the voltage through the thyristor of the power supply. It comes naturally to turn off the plasma discharge in a period of 10 to 50 ms (DD-PS 141 532, 146 306). This leads to complete oxidation of the target in the reactive mode, since the balance between atomization and oxidation rate is shifted in favor of the oxidation. When re-igniting the discharge, this oxide layer must first be penetrated, whereby a great tendency to Keueinsatz an arc EntelÄÄurig is caused. Bs are the flashover cascades frequently observed in reactive operation. That with the appearance

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 · strong rollovers associated detachment of Schuckteilch'eii! can not be prevented in this way, since a significant) increase in current! for setting out for the onset of trip is ·

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.The aim of the invention is to avoid the Schwierigiceitenj the high-rate sputtering reactive targets in DC operation, and to allow trouble-free operation both in pure .Argon and in the argon / reaction gas mixture.

Darlegung des Lesens der Erfindung / ; ; Explanation of the reading of the invention /; ;

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 :The invention has for its object to provide a device for the prevention of flashovers in high-rate sputtering of reactive target materials, which does not require additional measures in the Piasmatronstromversorgung and for each Etitladungsgeometrie 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 :According to the invention the object is achieved in that directly on the plasmatron a capacitor, preferably; with a capacity of 30 nl to 300 nF per cm length of the Plasmatronentladungsringes and with a residual inductance of less than 1 μΗ, between the cathode and anode terminal or, which is connected as an anode acting vacuum chamber. ^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'By connecting a capacitor with the specified capacitance in parallel to the Piasmatronentladung is achieved that at a breakdown of the grown insulation layer, the current density in the local narrow arc starting point in the range of microseconds by the discharge of the capacitor can take very high values. It comes to lightning evaporation of the oxide layer in the immediate vicinity. The recharging of the capacitor via the much larger characteristic impedance of the supply line including power supply. Therefore, the voltage across the capacitor and thus over the plasinate charge decreases sharply in the period of a few microseconds, without '.. that'

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.a correspondingly rapid recharging could be done by the power supply. Thus VERLOES the arc in extremely kur% ent it again later. The replacement of the .'Plasmatronentladung occurs easily, since the recombination time for the charge carriers in the range of 10 to 30> s. Similarly, the coverage of the target with oxide layers due to the short Aussetζens the Plasmatronent charge is correspondingly low. The occurrence of arcs is thus not prevented by the capacitor, but resolved into a variety of events with very high current density, but extremely strong local and temporal limitation. The current in the arc remains low and is visible in the circuit between capacitor and Plasmatronent charge only when observed with correspondingly fast Impulsoszillograph. Visually, this altered behavior can be observed in the form of a multitude of small flashes of light in the peripheral areas of the discharge.

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.Due to the extremely short-term> 'urchbrüche no disturbance of the layered structure arise because .I the heat in the starting point of the arc within the short period of its existence can not spread. On the other hand, due to the large number of low-current flashovers, the transition region of the discharge between metallic target areas and oxide layers is rendered conductive. If the capacitor is missing, the current increase in the arc takes place much more slowly because of the inductances present in the piasmatron power supply and the characteristic impedance of the supply line. As a result, the processes at the starting point of the arc run off more slowly. The heat can spread, and it comes to a much larger cathode surface for the arc and thus to a strong current rollover with the already described extremely disturbing side effects.

Eine ähnliche Funktion besitzt der Kondensator beim Binsputtern neuer Targets bzw. beim Betrieb von stark reaktiven Targets in Argon unter unzureichenden Restgasbedingungen. -The capacitor has a similar function when binary sputtering new targets or when operating highly reactive targets in argon under insufficient residual gas conditions. -

Embodiment ·

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Schaltung, die das ^Entstellen; von Überschlägen verhindert. < "' ·.: ·The accompanying drawing shows a circuit showing the dislocation; prevented by rollovers. <'' · .: ·

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.The power supply device 1 of the plasmatron sputtering device is connected with its negative pole to the target 2, which acts as a cathode. The positive pole is connected to the anode 3 of the plasmatron source, which is arranged in the vacuum container 4. The substrate 5 to be coated is located above the target 2. According to the invention, between the positive and negative poles, a capacitor 6 is connected, which is located outside the vacuum container 4 and has a capacitance of 5 μ3? and a Resting productivity of <1 μΗ has.

Claims

Brfindungsanspruch

1. device for "prevention of Überscälagen when Hpciirate ~ atomize with the Plasmatron in DC operation, characterized in that directly at the Plasmätronquelle between the Eat ο den- and anode connection" or . -the as an anode
Acting vacuum container (4) a capacitor (6) connected

, .is V. , '''-:'.''' ... ''';''-'''ϊ:; \ /: ^{^-::::} '' ^-: - :...

2. Device according to item 1, characterized in that the
Capacitor a capacity of 30 nP to 300 nF per cm length of Piasmatronentladungsringes and.a residual inductance
of less than 1 μΗ.

For this 1 sheet drawings