DE10034895A1 - Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen Plasmen - Google Patents
Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen PlasmenInfo
- Publication number
- DE10034895A1 DE10034895A1 DE2000134895 DE10034895A DE10034895A1 DE 10034895 A1 DE10034895 A1 DE 10034895A1 DE 2000134895 DE2000134895 DE 2000134895 DE 10034895 A DE10034895 A DE 10034895A DE 10034895 A1 DE10034895 A1 DE 10034895A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- ignition voltage
- voltage
- value
- plasma discharge
- ignition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/08—Oxides
- C23C14/086—Oxides of zinc, germanium, cadmium, indium, tin, thallium or bismuth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
- C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
- C23C14/564—Means for minimising impurities in the coating chamber such as dust, moisture, residual gases
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/02—Details
- H01J2237/0203—Protection arrangements
- H01J2237/0206—Extinguishing, preventing or controlling unwanted discharges
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
In gepulst betriebenen Plasmen bei vakuumtechnischen Prozessen, vorzugsweise in Zerstäubungsprozessen, treten Überschläge auf, die sich auf den Prozess negativ auswirken. Besonders ist es nachteilig bei Beschichtungsprozessen. Diese Überschläge sollen mit hoher Genauigkeit frühzeitig erkannt werden, um bekannte Maßnahmen einzuleiten, damit die Auswirkungen gering, möglichst vermieden werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Zündspannung der Plasmaentladung gemessen und dieser Wert mit dem einer normal verlaufenden Zündspannung verglichen. Aus der Differenz beider Werte werden in bekannter Weise Maßnahmen zur Verhinderung von Störungen eingeleitet. DOLLAR A Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Zerstäubungsprozesse im Vakuum (Sputtern), um Oberflächen von Bauteilen, Werkzeugen, Glas zu beschichten oder zu behandeln.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen
Plasmen.
Derartige Plasmen werden in zahlreichen vakuumtechnischen Prozessen wirksam. Ein
Anwendungsgebiet bilden Zerstäubungsprozesse im Vakuum, auch Sputtern genannt. Diese
werden entweder in der Vakuumbeschichtungstechnik, also vorzugsweise zur Oberflächen
veredelung von Bauteilen, Werkzeugen, Halbzeugen und Fertigteilen in der Optik, im
Maschinenbau, in der Verpackungs-, Glas- und Elektroindustrie oder zur Behandlung von
Oberflächen durch Sputterätzen eingesetzt.
Typische Zerstäubungsanlagen für die Vakuumbeschichtung enthalten Anordnungen aus
Kathode und Anode im Vakuum, wobei einzelne Zerstäubungseinrichtungen bzw. auf
ihnen befindliche Targets selbst Kathode oder Anode sein können. Zwischen den Kathoden
und Anoden wird ein Plasma erzeugt, das zumindest in der Nähe des jeweils zu
zerstäubenden Materials eine zum Sputtern geeignete Dichte aufweist.
Um auf einem Substrat eine dünne Schicht eines bestimmten Materials aufzubringen oder
zu entfernen, wird häufig ein bipolarer Zerstäubungsprozess im Mittelfrequenzbereich
angewendet. Bei diesem Verfahren wird an zwei Zerstäubungseinrichtungen, die mit
Targets aus dem zu zerstäubenden Material ausgestattet und erdfrei in einer Vakuum
beschichtungsanlage angeordnet sind, eine Wechselspannung im Mittelfrequenzbereich
angelegt. Dadurch dienen beide Zerstäubungseinrichtungen jeweils abwechselnd als
Kathode und Anode einer Plasmaentladung. Die Frequenz liegt im Bereich von einigen
hundert Hz bis einigen hundert kHz. Bei dieser Art des Zerstäubens, dem sogenannten
Mittelfrequenz-Zerstäuben, können Überschläge zwischen den beiden Zerstäubungs
einrichtungen und auch zwischen den einzelnen Zerstäubungseinrichtungen und dem durch
das Zerstäuben erzeugten Plasma entstehen. Schwere Überschläge führen zur Zerstörung
der Targetoberfläche und infolge der Verdampfung von Targetmaterial zu Schichtdefekten
in der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht. Wegen der zahlreichen physikalischen
Ursachen, die zu Überschlägen führen können, ist es schwierig, Überschläge als solche zu
verhindern. Um so mehr wächst die Bedeutung der Erkennung solcher Überschläge, die zur
Zerstörung des Targets und zu Defekten auf dem Substrat führen können. Die Prozess
stabilität hängt wesentlich von der Erkennung und der Reaktion auf Überschläge während
des Zerstäubungsprozesses ab.
Das gilt insbesondere für die Herstellung dielektrischer Verbindungsschichten bei der
reaktiven Schichtabscheidung durch die Mittelfrequenz-Zerstäubung. Im Allgemeinen wird
hierbei zu einem Edelgas, dessen Ionen das elektrisch leitfähige Target zerstäuben, ein
Reaktivgas hinzugefügt. Als Reaktivgase werden z. B. Stickstoff oder Sauerstoff eingesetzt,
um die entsprechenden Nitride bzw. Oxide auf dem Substrat abzuscheiden. Auf dem
Substrat reagiert das eingelassene Reaktivgas chemisch mit dem zerstäubten Targetmaterial.
Durch auf das Target rückgestäubtes Material kommt es mit zunehmender Beschichtungs
zeit zur Ausbildung von Rückstäubzonen auf der Targetoberfläche. Auf diesen Rückstäub
zonen lagern sich in Gegenwart des eingelassenen Reaktivgases teilweise die gleichen di
elektrischen Verbindungen ab wie auf dem Substrat, wodurch sich inhomogene
Oberflächeneigenschaften auf jedem einzelnen Target einstellen können. Durch Glüh
emission und thermische Emission von Ladungsträgern kann es zur Ausbildung von Über
schlägen kommen. Weiterhin kann loses Material, welches sich in Form von Flittern und
Clustern in der Vakuumbeschichtungsanlage befindet, Ursache von auftretenden Über
schlägen sein. Bei vielen Targetmaterialien wie z. B. Zinn und Zink kommt es während der
Zerstäubung zur Ausbildung von sogenannten "Pickeln" (Heinz, B.: Sputter Targets and
Thin Film Defects. VACUUM & THINFILM, Oktober 1999, S. 22 bis 29). Auf Grund der er
höhten Feldemission von Elektronen können auch diese "Pickel" Ursache für das Entstehen
von Überschlägen sein. Zwar führt der Einsatz der bipolaren Mittelfrequenz-Zerstäubung
bereits zu einer signifikanten Reduzierung des Auftretens von Überschlägen, jedoch sind
diese nicht vollständig vermeidbar.
Da bei der bipolaren Mittelfrequenz-Zerstäubung hohe Beschichtungsraten erzielt werden
sollen, sind hohe Leistungsdichten erforderlich. Dadurch kommt es im Zusammenhang mit
den oben geschilderten Ursachen von Überschlägen und den elektrischen Wechselfeldern
hoher Feldstärke auch bei der bipolaren Mittelfrequenz-Zerstäubung zur Ausbildung von
schweren Überschlägen, die zu erheblichen Schädigungen der Targets bzw. zu Schicht
defekten führen können.
Es sind Einrichtungen für die Unterdrückung und die Reaktion auf Lichtbögen - also
schwere Überschläge - in Gasentladungsvorrichtungen bekannt. Das Prinzip der An
ordnungen besteht in der Abschaltung der elektrischen Energiequelle (DE 41 27 504 A1),
der Umleitung der Energie und der Dämpfung durch resonante Schaltungsanordnungen
(DE 42 30 779 C2) oder dem Anlegen eines positiven Potentials an der Kathode
(US 5,584,974). Der Nachteil dieser Einrichtungen liegt darin, dass sie sich nur zur Unter
drückung von Überschlägen an Gleichstrom-Entladungen bzw. an Systemen mit einer
Zerstäubungseinrichtung eignen. Für das Arbeiten mit Wechselstrom sind diese Erfindungen
nicht geeignet.
Es sind weiterhin Einrichtungen zum Erfassen von Mikroüberschlägen in Zerstäubungs
einrichtungen die mit Wechselspannung betrieben werden bekannt (DE 44 20 951 C2,
US 5,611,899). Diese umfassen Schaltungsanordnungen und beruhen auf der Annahme,
dass man durch die Erfassung von Mikroüberschlägen eine Vorhersage über das Auftreten
von schweren Überschlägen, auch als Makroüberschlag bezeichnet, treffen kann. Die Unter
suchungen zeigten allerdings, dass Mikroüberschläge zeitlich und örtlich zufällig verteilt
auftreten und für die Vorhersage von Makroüberschlägen nur sehr schlecht geeignet sind,
da nur selten ein Zusammenhang zwischen Mikroüberschlägen und einem sich auf
bauenden Makroüberschlag besteht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es nicht
möglich ist, die Kathode zu benennen, auf der der Mikroüberschlag stattgefunden hat. Das
bedeutet, dass der Ort der Bogenentladung nicht bestimmt werden kann, was die
Erkennung eines evtl. vorhandenen Zusammenhangs der oben beschriebenen Art zusätzlich
erschwert.
Es ist weiterhin eine Einrichtung für die Unterdrückung von Lichtbögen in Gasentladungs
vorrichtungen bekannt (DE 41 27 505 A1). Diese Lösung eignet sich zwar ebenfalls zum
Arbeiten mit Wechselstrom, aber nicht in Prozessen, bei denen sich die Reaktivgasmenge
(z. B. Stickstoff oder Sauerstoff) in kurzer Zeit stark verändert.
Der Grund für diese Einschränkung liegt darin, dass für die Erkennung der schweren Über
schläge die Änderung der Entladungsspannung als Parameter für deren Auftreten
herangezogen wird. Schnelle Änderungen der Reaktivgasmenge führen jedoch häufig zu
einem deutlichen Arbeitspunktwechsel bezüglich der elektrischen Entladungsgrößen und
somit auch die Entladungsspannung. Häufig existiert ein eindeutiger Zusammenhang
zwischen dem Reaktivgasfluss und den elektrischen Entladungsgrößen, die sich bei jedem
Arbeitspunktwechsel ändern. Kommt es zu schnellen Arbeitspunktänderungen, so kann
nicht zwischen einem schweren Überschlag oder einer Änderung der Reaktivgasmenge
unterschieden werden, wodurch die Änderung der Entladungsspannung fälschlicherweise
als Überschlag interpretiert wird. Diese Einrichtung eignet sich auch nicht zur Detektion oder
gar zur Unterdrückung von Mikroüberschlägen. Weiterhin kann die Schaltungsanordnung
auf Grund der eingesetzten elektronischen Schalter (Thyristoren mit Zwangslöschung) nicht
mit kurzen Ausschaltzeiten betrieben werden.
Wie Untersuchungen der Überschläge ergaben, kann man die Entstehung eines
Überschlages durch den zeitlichen Verlauf der elektrischen Größen Entladungsstrom und
Entladungsspannung beschreiben. Zur Detektierung eines Überschlages wird meist die
elektrische Größe Entladungsstrom derart verwendet, dass eine Überhöhung gegenüber
dem Nennwert festgestellt und die elektrische Energiequelle für eine bestimmte Zeit
abgeschaltet wird. Die Bewertung der Entladungsspannung erfolgt meist in der Art, dass
man den Wert der Entladungsspannung mit typischen Werten einer Lichtbogen
brennspannung vergleicht und für den Fall einer kritischen Annäherung an diese Werte die
elektrische Energiequelle abschaltet.
Es sind weiterhin Einrichtungen bekannt, die für die Erkennung von schweren Überschlägen
in Wechselspannungs-Entladungen die Tatsache ausnutzen, dass sich bereits wenige Halb
wellen vor der Ausbildung eines schweren Überschlages die Entladungsspannung und
-stromstärke ändern, d. h. die Entladungsspannung sinkt und die Entladungsstromstärke
steigt an (DE 198 48 636 A1). Nachteilig ist jedoch auch bei solchen Einrichtungen, dass
besonders bei reaktiven Prozessen kleine Schwankungen der Entladungsparameter stets
toleriert werden müssen. Um signifikante Änderungen von Entladungsspannung und
Entladungsstromstärke auszunutzen, müssen deutliche Impedanzänderungen im Plasma
abgewartet werden, wie sie gewöhnlich erst unmittelbar vor dem Zünden eines schweren
Überschlages auftreten, um ein Kriterium für eine kurzzeitige Unterbrechung der Energie
versorgung zu gewinnen.
Zusammenfassend ist also festzustellen, dass zwar mehrere Einrichtungen bekannt sind, mit
denen es möglich ist, auftretende Überschläge zu unterbrechen oder erst gar nicht ent
stehen zu lassen. Diese Einrichtungen eignen sich jedoch entweder nicht für die Arbeit mit
einer Wechselspannung, oder sie ermöglichen nicht die Erkennung aller Überschläge auf
den Kathoden, gestatteten oftmals nicht die Lokalisierung des Überschlages oder die
Unterscheidung zwischen bipolarem und unipolarem Überschlag. Die Nachweis
empfindlichkeit und Vorhersagewahrscheinlichkeit von Überschlägen ist für viele
technologische Anwendungen zu gering.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Überschläge bzw. sich ausbildende Überschläge in gepulst
betriebenen Plasmen, insbesondere Zerstäubungsprozessen, mit hoher Genauigkeit und
möglichst frühzeitig zu detektieren, um durch bekannte Maßnahmen eine schnelle Reaktion
auf solche Überschläge zu ermöglichen, also schwere Überschläge zu vermeiden. Das soll
unabhängig vom Elektroden- bzw. Targetmaterial und evtl. eingelassenen Reaktivgas
mengen, von der eingebrachten elektrischen Leistung, dem Arbeitspunkt bezüglich der
elektrischen Entladungsparameter und der Arbeitsfrequenz möglich sein. Eine weitere
Forderung besteht darin, den Ort des Überschlages, also beispielsweise die Zerstäubungs
einrichtung, auf welcher der Überschlag stattfindet, zu bestimmen. Es soll möglich sein, den
Energieeintrag in den Überschlag, also die "Schwere" des Überschlages zu bestimmen. Es
besteht weiterhin die Aufgabe, auch bei bipolar gepulsten Plasmen die Klassifizierung des
Überschlages in einen bi- oder unipolaren Überschlag zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den
Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass überraschenderweise die Zündspannung eines
gepulst betriebenen Plasmas, d. h. die Spannung, bei der das Plasma in einzelnen Pulsen
zündet, wesentlich empfindlicher auf das Auftreten von Überschlägen reagiert als die
üblicherweise überwachten Parameter Entladungsstrom und Entladungsspannung.
Untersuchungen an zahlreichen Überschlägen zeigten, dass unmittelbar nach dem Aus
bilden eines Überschlages, also bereits nach einer sehr kleinen Erhöhung des Entladungs
stromes, die Zündspannung des Plasmas, anders als die Entladungsspannung, in der jeweils
folgenden Halbwelle deutlich ansteigt. Die Höhe der Zündspannung steht in einem
eindeutigen Zusammenhang mit der Stromerhöhung während der vorangegangen
Halbwelle.
Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der Messung des
Entladungsstromes besteht in der Tatsache, dass bei Auftreten eines Überschlages kleinste
Änderungen im Entladungsstrom, die durch einfache Messung des Entladungsstromes nur
schwer oder gar nicht detektiert werden könnten, einen deutlichen Anstieg der Zünd
spannung der nachfolgenden Halbwelle zur Folge haben und somit auch Mikroüberschläge
detektiert werden können. Bei Verfahren mit technologisch bedingten Schwankungen des
Entladungsstromes können kleine Erhöhungen des Entladungsstromes nie eindeutig einem
Überschlag zugeordnet werden. Die Erhöhung der Zündspannung weist dagegen bereits in
der ersten Halbwelle nach seinem erstmaligen Auftreten eindeutig auf einen Überschlag hin.
Die Fortdauer der Stromerhöhung in den folgenden Halbwellen steht im eindeutigen
Zusammenhang mit der Fortdauer der Erhöhung der Zündspannung. Somit kann aus einer
fortdauernden Überhöhung der Zündspannung auf die Fortdauer des Überschlages
geschlossen werden. Die Höhe der Stromerhöhung in Bezug auf den Nennstrom steht im
eindeutigen Zusammenhang mit der Höhe der Zündspannung in der darauf folgenden
Halbwelle. Dies erlaubt eine quantitative und qualitative Aussage über die Höhe des
Energieeintrages in den Überschlag, da jedem Überschlag eine Brenndauer zugeordnet
werden kann.
Das Verfahren ist prinzipiell zur Erfassung von Überschlägen in gepulst betriebenen Plasmen
geeignet.
Als besonders leistungsfähig hat sich das Verfahren bei der Überwachung bipolar mittel
frequent gepulster Zerstäubungsprozesse erwiesen, bei denen schnelles Reagieren auf
beginnende schwere Überschläge erforderlich ist. In diesem Anwendungsfall können
eindeutige Aussagen über den Ort, die Art und die "Schwere" des auftretenden Über
schlages getroffen werden. Der Überschlag wird innerhalb einer Pulsperiode, also praktisch
sofort, erkannt. Die weitere Entwicklung des Überschlages ist durch Vergleich der Zünd
spannung in aufeinanderfolgenden Halbwellen zu verfolgen. Sehr früh kann abgeschätzt
werden, ob sich ein schwerer Überschlag anbahnt. Durch Vergleich der Zündspannungen
aufeinanderfolgender Halbwellen unterschiedlicher Polarität kann eindeutig festgestellt
werden, ob der Überschlag zwischen einzelnen Targets oder unipolar gegen das Plasma
erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Targetzustandes einer
jeden Zerstäubungseinrichtung und damit verbunden eine Aussage über eine evtl. not
wendige Anpassung von Prozessparametern. In Abhängigkeit von der Art und des zeitlichen
Verlaufes des Überschlages kann z. B. eine Beeinflussung des Zerstäubungsprozesses durch
die Steuerung und Regelung der elektrischen Energiequelle durch bekannte Verfahren und
Mittel erfolgen, um den Vakuumprozess störungsfrei fortzuführen.
Besonders zweckmäßig ist es, direkt an den Zerstäubungseinrichtungen die jeweils an
liegende Spannung zu messen und einer Auswertung zuzuführen, die durch Analyse des
zeitliche Verlaufs der Spannung den Wert der Zündspannung in jeder einzelnen Halbwelle
ermittelt.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in einer Zerstäubungsanlage.
Fig. 2-3 zeigen Strom- und Spannungsverläufe während verschiedener Überschläge in
einem mittelfrequent bipolar gepulsten Zerstäubungsplasma.
Fig. 1: Im Rezipienten (1) einer an sich bekannten Vakuumbeschichtungsanlage befindet
sich eine Zerstäubungseinrichtung zur Abscheidung von dünnen Zinkoxid-Schichten im
Dickenbereich von 1 nm bis 1000 nm auf ein Glassubstrat (2). Zur Realisierung des mittel
frequent bipolar gepulsten Zerstäubungsprozesses wird ein Doppel-Magnetronsystem (DM5)
benutzt. Beide Magnetrons (3, 4) des DMS sind mit Zinktargets (5, 6) ausgestattet. Durch
einen Gaseinlass (7) wird Sauerstoff als Reaktivgas und Argon als Inertgas eingelassen und
durch ein Pumpsystem (8) aus dem Rezipienten geführt. Als Energiequelle wird ein
Schwingkreiswechselrichter (9) mit einer Pulsfrequenz von etwa 40 kHz benutzt. Direkt an
den Magnetrons (3, 4) erfolgt eine Erfassung der anliegenden Spannung durch ein
Messgerät (10). Dieses ist mit einem an sich bekannten Rechnersystem (11) verbunden, in
welchem eine Auswertung der gemessenen Spannungswerte im Hinblick auf die Erkennung
von Überschlägen und eine Berechnung von für eine Prozessstabilisierung erforderlichen
Parametereinstellungen erfolgt.
Mit einer derartigen Einrichtung ist eine Variation der Beschichtungsrate durch Variation der
Entladungsleistung zu realisieren. Damit sind automatisch ständige Veränderungen der
elektrischen Parameter Entladungsspannung und Entladungsstromstrom verbunden, was die
frühzeitige Erkennung von Überschlägen auf herkömmliche Weise erschwert.
Zum Erkennung von Überschlägen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der
zeitliche Verlauf der Spannung in jeder Halbwelle erfasst. Durch das Rechnersystem (11)
erfolgt die Auswertung derart, dass durch Differenzieren des zeitlichen Verlaufes der
Spannung für jede Halbwelle Zeitpunkt und Wert der Zündspannung bestimmt wird.
Der aktuelle Wert der Zündspannung wird mit dem Wert der Zündspannung in der voran
gegangenen Halbwelle oder mit einem Mittelwert der Zündspannungen über eine
bestimmte Anzahl von Perioden verglichen. Weiterhin erfolgt ein Vergleich des aktuellen
Wertes der Zündspannung mit dem Wert der jeweils anderen Polarität bzw. mit einem
Mittelwert, gebildet aus den Werten der Zündspannung einer bestimmten Anzahl von
Perioden der jeweils anderen Polarität. Mit Hilfe von rechenoptimierten Mikrokontrollern ist
eine nahezu verzögerungsfreie Bestimmung möglich.
Durch die wiederholte Bestimmung der Zündspannung kann ein Überschlag sehr schnell
erkannt werden, da sich die Zündspannung in diesem Fall erhöht. Der Energieeintrag in den
Überschlag kann aus der gegebenen elektrischen Leistung, der Höhe der aktuellen Zünd
spannung und der Brenndauer, gemessen in Pulsperioden, bestimmt werden. Entsprechend
der Höhe des Energieeintrages in den Überschlag wird die elektrische Energiequelle ab
geschaltet oder die Energiezufuhr beibehalten. Durch die Zuordnung der Erhöhung der
Zündspannung zu einzelnen Halbwellen kann der Ort des Überschlages, also das betroffene
Target, bestimmt werden.
Anhand der Fig. 1 und 2 werden die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde
liegenden Zusammenhänge näher erläutert.
Fig. 2: Die in relativen Einheiten dargestellten Verläufe von Strom und Spannung während
eines Überschlages in einer bipolar gepulst betriebenen Plasmaentladung zeigen, dass sich
beim Auftreten eines Überschlages scheinbar bereits vor einer signifikanten Änderung des
Entladungsstromes die Zündspannung erhöht (hier die 5. Spannungsspitze im Diagramm).
Erst danach steigt auch der Entladungsstrom deutlich an. Tatsächlich hat sich bereits
während der vor der erstmaligen Erhöhung der Zündspannung liegenden Halbwelle durch
den beginnenden Überschlag eine minimale Erhöhung des Entladungsstromes ergeben, die
schwer messbar ist und einem Überschlag nicht eindeutig zugeordnet werden kann. Die
deutliche Erhöhung der Zündspannung weist eindeutig auf einen Überschlag hin. Sehr gut
lässt sich auch die Dauer des Überschlages ermitteln, die hier etwa neun Pulsperioden
beträgt.
Fig. 3: Anhand der mit hoher zeitlicher Auflösung in relativen Einheiten dargestellten
Verläufe von Strom und Spannung während eines kleine Überschlages, eines sogenannten
Mikroarc's, in einer bipolar gepulst betriebenen Plasmaentladung wird sichtbar, in welch
unterschiedlicher Weise Entladungsspannung und Zündspannung auf minimale Änderungen
des Entladungsstromes ansprechen. Die Zündspannung ist jeweils das erste lokale Maximum
einer jeden Halbwelle des Spannungsverlaufes und liegt in diesem Fall meist unterhalb des
Maximalwertes der Entladungsspannung. Lediglich unmittelbar nach der Stromerhöhung
während nur einer einzelnen Halbwelle, die nicht ohne weiteres einem Überschlag zuge
ordnet werden könnte, steigt die Zündspannung in der folgenden Halbwelle deutlich an,
während sich die Entladungsspannung während des restlichen Pulses kaum ändert. Erst
dadurch kann die vorangegangene Stromerhöhung einem kurzen Überschlag, der nur
während einer Halbwelle auftrat, zugeordnet werden. Die Abbildung verdeutlicht die
Empfindlichkeit des Verfahrens bezüglich der Detektierung bereits kleinster Überschläge.
Claims (6)
1. Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen Plasmen im
Vakuum, vorzugsweise mittelfrequent gepulst betriebene Zerstäubungsprozesse, bei
dem der zeitliche Verlauf der an mindestens einer zur Plasmaerzeugung erforderlichen
Elektrode anliegenden Spannung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zündspannung der Plasmaentladung gemessen wird, dieser gemessene aktuelle Wert
der Zündspannung mit dem Wert der Zündspannung der normal verlaufenden
Plasmaentladung verglichen wird und die Differenz aus beiden Werten als Information
zur Erkennung eines Überschlages benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Wert der
Zündspannung mit dem Wert der Zündspannung in einer vorangegangenen Halbwelle
der gleichen Polarität verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bipolar betriebenen
Zerstäubungsprozessen der aktuelle Wert der Zündspannung mit dem Wert der Zünd
spannung in einer vorangegangenen Halbwelle der anderen Polarität verglichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Wert der
Zündspannung mit dem Mittelwert, gebildet aus einer Anzahl von Werten der Zünd
spannungen in vorangegangenen Halbwellen der gleichen Polarität, verglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bipolar betriebenen
Zerstäubungsprozessen der aktuelle Wert der Zündspannung mit dem Mittelwert,
gebildet aus einer Anzahl von Werten der Zündspannungen in vorangegangenen
Halbwellen der anderen Polarität, verglichen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bipolar betriebenen
Zerstäubungsprozessen der aktuelle Wert der Zündspannung mit dem Mittelwert,
gebildet aus einer Anzahl von Werten der Zündspannungen in vorangegangenen
Halbwellen beider Polaritäten, verglichen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000134895 DE10034895C2 (de) | 2000-07-18 | 2000-07-18 | Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen Plasmen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000134895 DE10034895C2 (de) | 2000-07-18 | 2000-07-18 | Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen Plasmen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10034895A1 true DE10034895A1 (de) | 2002-02-07 |
DE10034895C2 DE10034895C2 (de) | 2002-11-14 |
Family
ID=7649320
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2000134895 Expired - Fee Related DE10034895C2 (de) | 2000-07-18 | 2000-07-18 | Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen Plasmen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10034895C2 (de) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005096344A1 (de) | 2004-03-25 | 2005-10-13 | Hüttinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Bogenentladungserkennungseinrichtung |
US7640120B2 (en) | 2005-12-22 | 2009-12-29 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Method and device for detecting arcs |
US7795817B2 (en) | 2006-11-24 | 2010-09-14 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Controlled plasma power supply |
US7929261B2 (en) | 2007-03-08 | 2011-04-19 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Suppressing arc discharges |
US7995313B2 (en) | 2006-11-23 | 2011-08-09 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Method for operating a plasma process and arc discharge detection device |
US8085054B2 (en) | 2006-11-28 | 2011-12-27 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Detecting arc discharges |
US8735767B2 (en) | 2006-12-14 | 2014-05-27 | Trumpf Huettinger Gmbh + Co. Kg | Responding to arc discharges |
DE102017128402A1 (de) | 2017-11-30 | 2019-06-06 | Pva Tepla Ag | Verfahren zur Verhinderung von Lichtbögen in Plasmanitrieranlagen |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4127505A1 (de) * | 1991-08-20 | 1993-02-25 | Leybold Ag | Einrichtung zur unterdrueckung von lichtboegen |
DE4127504A1 (de) * | 1991-08-20 | 1993-02-25 | Leybold Ag | Einrichtung zur unterdrueckung von lichtboegen |
DE4326100A1 (de) * | 1993-08-04 | 1995-02-09 | Leybold Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von Substraten in einer Vakuumkammer, mit einer Einrichtung zur Erkennung und Unterdrückung von unerwünschten Lichtbögen |
DE4230779C2 (de) * | 1992-09-15 | 1996-05-30 | Leybold Ag | Anordnung zur Verhinderung von Lichtbögen in einer Vakuum-Beschichtungsanlage |
US5584974A (en) * | 1995-10-20 | 1996-12-17 | Eni | Arc control and switching element protection for pulsed dc cathode sputtering power supply |
US5611899A (en) * | 1994-11-19 | 1997-03-18 | Leybold Aktiengesellschaft | Device for suppressing flashovers in cathode sputtering installations |
DE4420951C2 (de) * | 1994-06-16 | 1998-01-22 | Leybold Ag | Einrichtung zum Erfassen von Mikroüberschlägen in Zerstäubungsanlagen |
DE19848636A1 (de) * | 1998-10-22 | 2000-05-04 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Überwachung einer Wechselspannungs-Entladung an einer Doppelelektrode |
-
2000
- 2000-07-18 DE DE2000134895 patent/DE10034895C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4127505A1 (de) * | 1991-08-20 | 1993-02-25 | Leybold Ag | Einrichtung zur unterdrueckung von lichtboegen |
DE4127504A1 (de) * | 1991-08-20 | 1993-02-25 | Leybold Ag | Einrichtung zur unterdrueckung von lichtboegen |
DE4230779C2 (de) * | 1992-09-15 | 1996-05-30 | Leybold Ag | Anordnung zur Verhinderung von Lichtbögen in einer Vakuum-Beschichtungsanlage |
DE4326100A1 (de) * | 1993-08-04 | 1995-02-09 | Leybold Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von Substraten in einer Vakuumkammer, mit einer Einrichtung zur Erkennung und Unterdrückung von unerwünschten Lichtbögen |
DE4420951C2 (de) * | 1994-06-16 | 1998-01-22 | Leybold Ag | Einrichtung zum Erfassen von Mikroüberschlägen in Zerstäubungsanlagen |
US5611899A (en) * | 1994-11-19 | 1997-03-18 | Leybold Aktiengesellschaft | Device for suppressing flashovers in cathode sputtering installations |
US5584974A (en) * | 1995-10-20 | 1996-12-17 | Eni | Arc control and switching element protection for pulsed dc cathode sputtering power supply |
DE19848636A1 (de) * | 1998-10-22 | 2000-05-04 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Überwachung einer Wechselspannungs-Entladung an einer Doppelelektrode |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
HEINZ, B.: Sputtr Targets and thin ... Defects Vakuum d thin Film, Oktober 1999, S. 22-29 * |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8007641B2 (en) | 2004-03-25 | 2011-08-30 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Method of detecting arc discharges in a plasma process |
US9484189B2 (en) | 2004-03-25 | 2016-11-01 | Trumpf Huettinger Gmbh + Co. Kg | Method of detecting arc discharge in a plasma process |
EP1728263B1 (de) * | 2004-03-25 | 2013-11-20 | TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG | Verfahren zum Erkennen von Bogenentladungen und Bogenentladungserkennungseinrichtung |
WO2005096344A1 (de) | 2004-03-25 | 2005-10-13 | Hüttinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Bogenentladungserkennungseinrichtung |
US7640120B2 (en) | 2005-12-22 | 2009-12-29 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Method and device for detecting arcs |
US8044595B2 (en) | 2006-11-23 | 2011-10-25 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Operating a plasma process |
US7995313B2 (en) | 2006-11-23 | 2011-08-09 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Method for operating a plasma process and arc discharge detection device |
US8110992B2 (en) | 2006-11-24 | 2012-02-07 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Controlled plasma power supply |
US7795817B2 (en) | 2006-11-24 | 2010-09-14 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Controlled plasma power supply |
US8085054B2 (en) | 2006-11-28 | 2011-12-27 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Detecting arc discharges |
US8735767B2 (en) | 2006-12-14 | 2014-05-27 | Trumpf Huettinger Gmbh + Co. Kg | Responding to arc discharges |
US7929261B2 (en) | 2007-03-08 | 2011-04-19 | Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg | Suppressing arc discharges |
DE102017128402A1 (de) | 2017-11-30 | 2019-06-06 | Pva Tepla Ag | Verfahren zur Verhinderung von Lichtbögen in Plasmanitrieranlagen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10034895C2 (de) | 2002-11-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69433498T2 (de) | Reaktives gleichstrom-zerstäubungssystem | |
EP0528163B1 (de) | Einrichtung zur Unterdrückung von Lichtbögen | |
DE19651615C1 (de) | Verfahren zum Aufbringen von Kohlenstoffschichten durch reaktives Magnetron-Sputtern | |
DE4441206C2 (de) | Einrichtung für die Unterdrückung von Überschlägen in Kathoden-Zerstäubungseinrichtungen | |
DE4412906C1 (de) | Verfahren und Einrichtung für die ionengestützte Vakuumbeschichtung | |
DE19848636C2 (de) | Verfahren zur Überwachung einer Wechselspannungs-Entladung an einer Doppelelektrode | |
DE2513216B2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats durch reaktive Kathodenzerstäubung | |
DE2148933A1 (de) | HF-Zerstaeubungsvorrichtung | |
CH689767A5 (de) | Verfahren zur Werkstueckbehandlung in einer Vakuumatmosphaere und Vakuumbehandlungsanlage. | |
EP0529259A1 (de) | Einrichtung zum Behandeln von Substraten | |
DE2215151A1 (de) | Verfahren zum herstellen von duennen schichten aus tantal | |
DE10015244A1 (de) | Verfahren und Schaltungsanordnung zur pulsförmigen Energieeinspeisung in Magnetronentladungen | |
DE4420951C2 (de) | Einrichtung zum Erfassen von Mikroüberschlägen in Zerstäubungsanlagen | |
DE10034895C2 (de) | Verfahren zur Erkennung von Überschlägen in gepulst betriebenen Plasmen | |
EP0767483B1 (de) | Vorrichtung zum Beschichten von Substraten im Vakuum | |
DE4242633C2 (de) | Verfahren zur Durchführung von stabilen Niederdruck-Glimmprozessen | |
DE102006002333A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Löschen von Bogenentladungen | |
DE4223505C1 (de) | Einrichtung zum aufbringen elektrisch schlecht leitender oder isolierender schichten durch reaktives magnetronsputtern | |
DE4324683C1 (de) | Verfahren zur Anpassung des Generators bei bipolaren Niederdruck-Glimmprozessen | |
DE10119058C2 (de) | Vorrichtung zum Detektieren von Instabilitäten eines hochfrequent angeregten Plasmas, insbesondere von Arcing Ereignissen | |
DE19646700B4 (de) | Vakuumbehandlungskammer, Vakuum-Zerstäubungsverfahren und Magnetronanordnung | |
EP1580295A1 (de) | Einrichtung zum reaktiven Sputtern | |
WO2003105543A2 (de) | Verfahren und einrichtung zur reduzierung der zündspannung von plasmen | |
DE102009025422B9 (de) | Verfahren und Anordnung zur Steuerung eines RF-Generators für Magnetrons in Vakuumbeschichtungsanlagen | |
DE2800852C2 (de) | Einrichtung zum Ionenplasma-Beschichten |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |