DE10051508C2 - Verfahren und Einrichtung zur Reduzierung der Zündspannung von Leistungspulsen gepulst betriebener Plasmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und dazugehörige Einrichtungen zur Reduzierung der Zündspannung von Leistungspulsen gepulst betriebener Plasmen mit langer Puls-Aus-Zeit. Derartige Plasmen kommen zum Behandeln von Substraten, bei Zerstäubungsprozessen in Vakuumbeschichtungsanlagen, bei der Plasmaaktivierung in verschiedenen Beschichtungs­ prozessen und bei weiteren vakuumtechnologischen Verfahren zum Einsatz. Kathodenzerstäubungsverfahren, auch Sputtern genannt, bilden dabei innerhalb der Beschichtungstechnik ein Hauptanwendungsgebiet für gepulste Plasmen. Mit ihrer Hilfe werden Bauteile, Werkzeuge, Halbzeuge und Fertigteile in der Optik, im Maschinenbau, in der Verpackungs-, Glas- und Elektroindustrie beschichtet, indem Einzelschichten oder Schichtsysteme auf den jeweiligen Substraten abgeschieden werden.

In derart abgeschiedenen Schichtsystemen werden oftmals Haftvermittler- und Funktions­ schichten mit Schichtdicken von nur wenigen Nanometern benötigt. Um Schichten mit so geringen Schichtdicken abzuscheiden, kann entweder die Vorschubgeschwindigkeit des Substrates während des Beschichtungsvorgangs zur Verkürzung der Beschichtungsdauer relativ hoch gewählt, die Verweilzeit des Substrates in der Beschichtungszone gering gehalten oder die eingebrachte elektrische Leistung sehr niedrig eingestellt werden, was zu einem geringen Materialabtrag auf den Targets der Zerstäubungskathoden und zu einer geringen Aufwachsgeschwindigkeit der abzuscheidenden Schichten führt.

Häufig ist die Substratgeschwindigkeit oder die Verweilzeit bereits durch die Abscheiderate anderer, im Schichtsystem vorhandener oder in Folge abzuscheidender Schichten festgelegt. Eine beliebige Verringerung der eingebrachten elektrischen Leistung ist auf Grund der geforderten Stabilität des Beschichtungsplasmas nicht möglich, da eine zu geringe Leistungsdichte zu Inhomogenitäten im Beschichtungsplasma und damit zu Schicht­ inhomogenitäten und Instabilitäten des Beschichtungsprozesses führt, was insbesondere bei größeren Kathodenanordnungen problematisch ist. In der Praxis ist man derzeit nur durch Blenden bzw. Abdeckungen der Zerstäubungskathoden in der Lage, stabile Beschichtungs­ plasmen bei geringem Leistungseintrag zu erzeugen, was jedoch einen erheblichen Effektivitätsverlust darstellt.

Die bereits genannten Haftvermittler- und Funktionsschichten bestimmen maßgeblich durch ihre physikalischen Eigenschaften auch die Eigenschaften des gesamten Schichtsystems. Es kommt also darauf an, gerade auch sehr dünne Schichten mit genau definierten Eigenschaften bei hoher Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit dieser Eigenschaften abzuscheiden, um bestimmte Zielparameter des gesamten Schichtsystems überhaupt erreichen zu können.

Untersuchungen zeigten, dass man mit Hilfe von hohen Leistungsdichten am Target die Eigenschaften abgeschiedener Schichten beeinflussen und gegebenenfalls verbessern kann. [Kouznetsov et al., "A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities", Surface and Coatings Technology, Vol. 122, 1999, pp. 290-293].

Es ist also oftmals physikalisch erforderlich, auch sehr dünne bzw. langsam aufwachsende Schichten unter Nutzung hoher Leistungsdichten am Target abzuscheiden.

Es sind bereits Einrichtungen bekannt, die mit Hilfe einer gepulsten Stromversorgung Pulse mit hoher elektrischer Pulsleistung bei gleichzeitiger kleiner mittlerer elektrischer eingebrachter Leistung erzeugen (DE 41 27 317 A1). Die Folge ist eine hohe Plasmadichte am Sputtertarget während der Puls-Ein-Zeit. Dadurch wird das Zerstäubungsplasma bei kleinen mittleren elektrischen Leistungen stabilisiert. Dennoch steht zum Zeitpunkt des Beschichtens stets eine hohe Plasmadichte am Target zur Verfügung. Der entscheidende Nachteil dieser Anordnung liegt in der Tatsache, dass auf Grund der Puls-Aus-Zeiten beim Wiederzünden der Entladung am Target eine hohe Zündspannung entsteht. Der Wert der Zündspannung hängt maßgeblich vom Verhältnis der Puls-Ein- zur Puls-Aus-Zeit und von der Länge der Puls-Aus-Zeit ab. Bei Verlängerung der Puls-Aus-Zeiten und Verkürzung der Puls- Ein-Zeiten wird bei gleicher mittlerer elektrischer Leistung zwar während der Puls-Ein-Zeit eine sehr hohe Plasmadichte am Sputtertarget erreicht, infolge der langen Puls-Aus-Zeit steigt jedoch die Zündspannung auf Werte an, die erheblich über der Brennspannung des Plasmas liegen und mehrere Kilovolt betragen können, was wiederum zu Zerstörungen in verschiedenen Schaltungsanordnungen und zu unerwünschten Überschlägen führen kann. Ursache dafür ist, dass ein Zerstäubungsplasma in der langen Puls-Aus-Zeit, also etwa ab Puls-Aus-Zeiten von 1 µs, an Ladungsträgern verarmt und demzufolge verlöschen kann. Zu Beginn eines jeden Pulses muss die Erzeugung von Ladungsträgern erneut erfolgen, bis genügend Ladungsträger vorhanden sind, die dafür sorgen, dass die zunächst stark überhöhte Zündspannung auf den Wert der eigentlichen Brennspannung des Zerstäubungs­ plasmas sinkt.

Das beschriebene Problem tritt generell bei mittelfrequent gepulsten Plasmen auf. Überall dort, wo das Tastverhältnis, also das Verhältnis zwischen Puls-Ein- und Puls-Aus-Zeit, so eingestellt wird, dass die Puls-Aus-Zeit über einen kritischen Wert ansteigt oder aus anderen Gründen eine längere Puls-Aus-Zeit erforderlich wird, kann es zur beschriebenen kritischen Überhöhung der Zündspannung kommen.

Es ist bekannt, bei der Zündung von Barriereentladungen zwischen großen Elektroden­ flächen, die naturgemäß mit einer hohen Zündspannung erfolgt, durch Vorionisierung mittels UV- oder Röntgenstrahlung für eine bessere Flächengleichmäßigkeit des Zünd­ vorganges zu sorgen. Für eine Verringerung der Zündspannung kann dieses Verfahren jedoch nicht eingesetzt werden (DE 196 43 925 A1).

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben gepulster Plasmen zu realisieren, welches unabhängig von der Puls-Aus-Zeit zu einer möglichst geringen Erhöhung der Zündspannung gegenüber der Brennspannung des Plasmas führt. Das Verfahren soll in unterschiedlichen Einrichtungen für verschiedene vakuumtechnologische Prozesse geeignet sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7, vorteilhafte Ausgestaltungen einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens in den Unteransprüchen 9 und 10 beschrieben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für eine effektive Vermeidung stark über­ höhter Zündspannungen bereits ein Bruchteil der Ladungsträgerdichte technologischer Plasmen genügt. Wird während der Puls-Aus-Zeit verhindert, dass das Plasma vollständig verlischt oder die Ladungsträgerdichte im Entladungsraum unter einen bestimmten niedrigen Wert sinkt, so kommt es zu Beginn des folgenden Pulses nur zu einer gegenüber der Brennspannung des Plasmas geringfügig erhöhten Zündspannung. Der technologische Zweck einer langen Puls-Aus-Zeit, wie z. B. eine hohe Pulsleistung bei insgesamt geringer mittlerer Leistung der Plasmaentladung zu gewährleisten oder fehlerhafte Betriebszustände durch verlängerte Erholzeiten und zusätzliche Pulspausen zu vermeiden, wird trotz der zusätzlichen Ladungsträgerdichte in vielen Fällen erreicht.

Insbesondere zur Erzeugung mittelfrequent gepulster Zerstäubungsplasmen bei der Ab­ scheidung sehr dünner Schichten lässt sich das Verfahren einsetzen, was zu einer deutlichen Verbesserung der Schichteigenschaften führt. Erfindungsgemäß wird dazu eine gepulste Stromversorgungsquelle mit einer Kathode, welche ein Target aus dem zu zerstäubenden Material enthält, und einer Anode verbunden. Die Gleichstrom-Spannungsquelle ist dadurch charakterisiert, dass sie im Frequenzbereich von 10 Hz-1 MHz bei möglichen Verhältnissen von Puls-Ein-Zeit zu Puls-Aus-Zeit von 1 : 1 bis 1 : 100 und größer arbeitet. Somit wird gewährleistet, dass bei kleiner mittlerer eingebrachter elektrischer Leistung eine hohe Pulsleistung in der Puls-Ein-Zeit der Entladung erzeugt wird.

Eine zweite Entladung wird mit der ersten kombiniert bzw. dieser überlagert, so dass in der Puls-Aus-Zeit ausreichend Ladungsträger erzeugt werden. Die Aufgabe der zweiten Entladung besteht nicht in der Unterhaltung eines weiteren Zerstäubungsplasmas bzw. einer stabilen Entladung zum Zerstäuben des Targets, sondern nur in Aufrechterhaltung einer bestimmten Mindestdichte von Ladungsträgern während der Puls-Aus-Zeit der ersten zur Beschichtung dienenden Entladung. Die so erzeugten Ladungsträger dienen dazu, den Zündvorgang zu Beginn der Puls-Ein-Zeit der zur Beschichtung dienenden Entladung derart zu verändern, dass die Zündspannung auf Grund der vorhandenen Ladungsträger stark reduziert und im günstigsten Fall der Brennspannung angeglichen wird. Die Folge ist, dass auch sehr lange Puls-Aus-Zeiten und im Beispielfall damit verbunden sehr kurze Puls-Ein- Zeiten verwendet werden können. Das ermöglicht die Erhöhung der Leistungsdichte am Sputtertarget bei gleicher mittlerer eingebrachter elektrischer Leistung, ohne die Strom­ versorgung durch eine stark überhöhte Zündspannung zu belasten.

Erfindungsgemäß wird die Zündspannung vom Parameter der Puls-Aus-Zeit entkoppelt. Sie hängt nur noch von der Ladungsträgerdichte ab, die durch die zweite Entladung bereit­ gestellt wird.

Es ist auch möglich, die zweite Entladung derart geregelt zu betreiben, dass die Zünd­ spannung der Leistungspulse auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Das ist von Vorteil, wenn einerseits ein bestimmter Wert der Zündspannung nicht überschritten werden darf und andererseits in den Pausen zwischen den einzelnen Leistungspulsen eine möglichst geringe Plasmadichte herrschen soll.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung für den Anwendungsfall der Kathoden­ zerstäubung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der beide Plasmaentladungen jeweils zwischen den gleichen Elektroden gezündet werden.

Fig. 2 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der beide Plasmaentladungen zwischen unterschiedlichen Elektroden gezündet werden.

Fig. 1: Im Rezipienten 1 einer Vakuumbeschichtungsanlage befindet sich eine Zerstäubungs­ einrichtung, welche zur Abscheidung von dünnen Silber-Schichten (1 nm-10 nm) auf einem Substrat 2 aus Glas dient. Das Zerstäubungssystem besteht aus einem als Kathode wirkenden Magnetron 3 mit Silbertarget 4. Eine Anode 5 ist elektrisch isoliert im Rezipienten 1 der Vakuumbeschichtungsanlage angeordnet. Mit dem Rezipienten 1 der Vakuumbeschichtungsanlage sind außerdem ein Gaseinlass-System 6 und ein Pumpsystem 7 verbunden.

Zur Realisierung des Prozesses werden zwei elektrische Energiequellen benötigt. Die erste Energiequelle ist eine Hochleistungs-Stromversorgung 8, die zweite Energiequelle eine gepulste Spannungsquelle 9 geringerer Leistung. Zwei Schalter 10'; 10" ermöglichen es, entweder die gepulste Spannungsquelle 9 geringerer Leistung oder die Hochleistungs- Stromversorgung 8 mit dem Magnetron 3 und der Anode 5 zu verbinden.

Das Ziel besteht in der Erzeugung einer hohen Pulsleistung bei niedriger mittlerer ein­ gebrachter elektrischer Leistung. Damit kann während der Puls-Ein-Zeit eine hohe Plasma­ dichte bei guter Gleichmäßigkeit des Zerstäubungsplasmas erreicht werden.

Um bei kleiner mittlerer eingebrachter elektrischer Leistung eine hohe Leistung während der Puls-Ein-Zeit zu erzielen, wird ein Verhältnis von 1 : 19 von Puls-Ein- zu Puls-Aus-Zeit gewählt. Das Verfahren wird mit der Einrichtung wie folgt ausgeführt:
Die Zuführung der Energie aus der Hochleistungs-Stromversorgung 8 in die Entladungs­ strecke zwischen Anode 5 und Kathode wird mit einer Pulsfrequenz von 5 kHz betrieben. Bei einem Verhältnis der Puls-Ein-Zeit zur Puls-Aus-Zeit von 1 : 19 bedeutet das, dass die Hochleistung-Stromversorgung 8 für die Zeitdauer von 10 µs Energie in die Entladungs­ strecke einspeist und danach für die Zeitdauer von 190 µs keine Energie in die Entladungs­ strecke einspeist.

Die Verkoppelung der Hochleistung-Stromversorgung 8 mit der gepulsten Spannungsquelle 9 geringerer Leistung erfolgt derart, dass sichergestellt wird, dass diese nur in der Puls-Aus- Zeit der Hochleistung-Stromversorgung 8 eingeschaltet wird. Die elektrische Leistung der gepulsten Spannungsquelle 9 geringerer Leistung wird so bemessen, dass sie nicht ausreicht, um einen stabilen Sputterprozess am Target 3 zu erzeugen. Die durch die gepulste Spannungsquelle 9 geringerer Leistung unterhaltene Entladung dient nur der Erzeugung von Ladungsträgern in der Puls-Aus-Zeit. Besondere Anforderungen an die Gleichmäßigkeit dieser Entladung bestehen nicht.

Für die gesamte Dauer der Puls-Aus-Zeit des Zerstäubungsplasmas wird die mit einer Frequenz von 200 kHz gepulste Spannungsquelle 9 geringerer Leistung mit der Entladungsstrecke verbunden. Dadurch wird erreicht, dass zu Beginn der Puls-Ein-Zeit des Zerstäubungsplasmas ausreichend Ladungsträger in der Entladungstrecke vorhanden sind und somit der Wert der Zündspannung in jedem Puls des Zerstäubungsplasmas annähernd dem Wert der Brennspannung entspricht. Während der Puls-Ein-Zeit des Zerstäubungs­ plasmas wird die gepulste Spannungsquelle 9 geringerer Leistung abgeschaltet bzw. vom Magnetron 3 und der Anode 5 getrennt und nur die Hochleistungs-Stromversorgung 8 speist Energie in Form eines Leistungspulses ein.

Auf Grund der hohen Pulsleistung während der Puls-Ein-Zeit des Zerstäubungsplasmas entsteht in der Entladungstrecke in Targetnähe eine sehr hohe Plasmadichte. Die Folge ist, dass auch bei insgesamt kleiner mittlerer eingebrachter elektrischer Leistung durch die hohe Pulsleistung während der Puls-Ein-Zeit des Zerstäubungsplasmas eine stabile Entladung und damit verbunden ein stabiler Zerstäubungsprozess hoher Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht wird.

Die Silberschicht wird mit einer geringen mittleren elektrischen Leistung und entsprechend niedriger Aufwachsgeschwindigkeit mit hoher Gleichmäßigkeit abgeschieden. Durch die hohen Pulsleistungen werden die Schichteigenschaften positiv beeinflusst. Sie ähneln denen von Silberschichten, die mit einer wesentlich höheren mittleren Leistung abgeschieden wurden.

Ein Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, dass zur Aufrechterhaltung der zweiten Ent­ ladung durch das ständige Umschalten zwischen Hochleistungs-Stromversorgung 8 gepulster Spannungsquelle 9 geringerer Leistung keine weitere Plasmaerzeugungseinrichtung nötig ist.

Fig. 2: Im Rezipienten 1 einer Vakuumbeschichtungsanlage befindet sich eine Zerstäubungs­ einrichtung, welche zur Abscheidung von dünnen Titan-Schichten von etwa 100 nm Dicke auf einem Substrat 2 aus Glas dient. Das Zerstäubungssystem besteht aus einem als Kathode wirkenden Magnetron 3 mit Titantarget 4. Eine Anode 5 ist elektrisch isoliert im Rezipienten 1 der Vakuumbeschichtungsanlage angeordnet. Mit dem Rezipienten 1 der Vakuumbeschichtungsanlage sind außerdem ein Gaseinlass-System 6 und ein Pumpsystem 7 verbunden.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Entladungen zweier eigenständiger Plasmaerzeugungseinrichtungen überlagert. Der eigentliche Zerstäubungs­ prozess zur Zerstäubung des Titantargets 4 wird durch eine gepulste Hochleistungs- Stromversorgung 8 mit einer Frequenz von 1 kHz und einem Verhältnis von Puls-Ein- zu Puls-Aus-Zeit der Entladung des Zerstäubungsplasmas von 1 : 49 betrieben. Die Puls-Ein-Zeit der Entladung des Zerstäubungsplasmas beträgt 20 µs, die Puls-Aus-Zeit 980 µs.

Dieser gepulsten Entladung des Zerstäubungsplasmas wird eine RF-Entladung mit einer Frequenz von 13,56 MHz überlagert. Zur Erzeugung der RF-Entladung ist hierbei eine RF- Spannungsquelle 9 mit zwei separaten RF-Elektroden 10'; 10" verbunden, die in der Nähe des Titantargets 4 angeordnet sind. Die RF-Elektroden 10'; 10" sind ebenfalls aus dem Targetmaterial Titan. Die RF-Elektroden 10'; 10" sind galvanisch von der Katode und der Anode 5 getrennt.

Das Ziel besteht auch in diesem Ausführungsbeispiel in der Erzeugung einer hohen Pulsleistung bei niedriger mittlerer eingebrachter elektrischer Leistung, ohne zu Beginn der einzelnen Pulse eine deutliche Erhöhung der Zündspannung in Kauf nehmen zu müssen. Durch das beschriebene Tastverhältnis kann die Plasmadichte während der kurzen Puls-Ein- Zeit des Zerstäubungsplasmas so stark erhöht werden, dass trotz niedriger mittlerer eingebrachter elektrischer Leistung eine Titanschicht mit deutlich geringerer Rauhigkeit abgeschieden wird. Eine derartige Rauhigkeit ist ansonsten nur bei Titanschichten zu erwarten, die mit einer wesentlich höheren mittleren Leistungsdichte aufgestäubt werden. Auf Grund der hohen Pulsleistung in der Puls-Ein-Zeit des Zerstäubungsplasmas entsteht jedoch am Titantarget 4 eine so hohe Leistungs- und Plasmadichte, welche es trotz der sich anschließenden langen Puls-Aus-Zeit gestattet, die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht, wie z. B. die Rauhigkeit, positiv zu beeinflussen.

Durch die dem gepulsten Zerstäubungsprozess überlagerte RF-Entladung wird in der Puls- Aus-Zeit des Zerstäubungsplasmas eine ausreichend hohe Ladungsträgerdichte aufrecht erhalten, so dass sich die Zündspannung des gepulsten Zerstäubungsprozesses trotz der langen Puls-Aus-Zeit von 980 µs kaum erhöht. Die überlagerte RF-Entladung trägt nicht zur Beschichtung des Subtrates 2 bei. Dennoch ist es vorteilhaft, die RF-Elektroden 10'; 10", wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, aus dem jeweiligen Targetmaterial zu fertigen.

Claims (10)

1. Verfahren zur gezielten Reduzierung der Zündspannung von Leistungspulsen, die durch eine erste Energiequelle bereitgestellt werden, in gepulst betriebenen Plasmen mit langen Puls-Aus-Zeiten < 1 µs, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vor Beginn der Puls-Ein-Zeit der Leistungspulse Ladungsträger durch eine zusätzliche Plasmaentladung, die durch eine zweite Energiequelle bewirkt wird, mit gegenüber der Leistung der Leistungspulse geringerer Leistung erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Ladungsträger durch die zusätzliche Plasmaentladung während der gesamten Puls- Aus-Zeit der Leistungspulse erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Ladungsträger durch die zusätzliche Plasmaentladung während eines Teiles der Puls- Aus-Zeit der Leistungspulse erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Ladungsträger durch die zusätzliche Plasmaentladung teilweise während der Puls-Ein- Zeit der Leistungspulse erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Ladungsträger durch die zusätzliche Plasmaentladung während der gesamten Puls- Aus-Zeit und Puls-Ein-Zeit der Leistungspulse erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Ladungsträger durch die zusätzliche Plasmaentladung gepulst erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte der zusätzlichen Plasmaentladung geregelt wird.

8. Vorrichtung zur gezielten Reduzierung der Zündspannung von Leistungspulsen mit gepulst betriebenen Plasmen, bestehend aus einen Rezipienten mit Pumpsysten, einer Anordnung zur Plasmaerzeugung aus mindestens einer Anode und einer Kathode, zwischen denen eine gepulste Hauptentladung brennt, einer an der Anode und der Kathode angeschlossenen im Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz pulsbaren ersten Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Energiequelle zur Erzeugung einer zusätzlichen Plasmaentladung sowie Mittel zur Steuerung der zusätzlichen Plasmaentladung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung der zusätzlichen Plasmaentladung aus Einrichtungen zur Erzeugung einer RF-Entladung im Frequenzbereich einiger MHz besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung der zusätzlichen Plasmaentladung aus Einrichtungen zur Erzeugung und Einkopplung einer Mikrowellen-Entladung im Frequenzbereich einiger GHz besteht.