DE10119533A1 - Verfahren zur Steuerung eines Plasmas in einem Magnetron-Sputterprozess - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Plasmas, insbesondere zur Stabilisierung bzw. Homogenisierung eines Plasmas in einem Magnetron-Sputterprozess, sowie eine Magnetron-Sputteranlage zur Herstellung von beschichteten Substraten. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch aus, dass das Plasma mittels Blenden, die entlang von Magnetrontracks angeordnet werden, in seiner Ausbildung lokal beeinflusst wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist ein sehr einfaches und an die Gegebenheiten anpassungsfähiges Verfahren, mit dessen Hilfe ein Plasma in Abhängigkeit eines spezifischen Magnetron-Sputterprozesses gesteuert, insbesondere stabilisiert und homogenisiert werden kann. DOLLAR A Ferner wird erfindungsgemäß eine Magnetron-Sputteranlage zur Herstellung von beschichteten Substraten bereitgestellt, die mindestens aufweist: DOLLAR A a) eine Magnetronkathode, DOLLAR A b) ein Magnet mit einem Magnetfeld, DOLLAR A c) eine Anode, wobei DOLLAR A Blenden entlang von Magnetrontracks vorgesehen sind, die ein Plasma in seiner Ausbildung lokal beeinflussen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steue­ rung eines Plasmas, insbesondere zur Stabilisierung bzw. Ho­ mogenisierung eines Plasmas in einem Magnetron- Sputterprozess, sowie eine Magnetron-Sputteranlage zur Her­ stellung von beschichteten Substraten.

Wie beispielsweise aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 324 123 A2 bekannt ist, ist eine Magnetron-Sputteranlage ge­ eignet, um verschiedene chemische Stoffe als Schichten auf einem Substrat aufzubringen. Bei einem Magnetron handelt es sich dabei um eine Vorrichtung zur Diodenzerstäubung, bei welcher einem zwischen einer Kathode und einer Anode beste­ henden elektromagnetischen Feld vorteilhaft zur Verringerung von Diffusionsverlusten und zur Erhöhung der Ionisierungsrate und der Plasmadichte zusätzliche Magnetfelder herangezogen werden. Bei der herkömmlichen Zerstäubung (Sputtern) wird in einem Reaktionsgefäß aus einem Beschichtungsvorrat festes Ma­ terial durch Ionenbeschuss abgetragen und unter Einwirkung eines Plasmas auf das Substrat übertragen. Bildet dabei die Kathode selbst das Materialreservoir wird dieses Verfahren als Diodenzerstäubung bezeichnet.

Bei der Verwendung von Magnetrons bei einer Sputterdepositi­ on, d. h. bei einer Beschichtung eines Substrates, beispiels­ weise eines Hochtemperatursupraleiters, brennt das Plasma verstärkt im Bereich sogenannter Magnetrontracks, die sich aufgrund von in der Kathode befindlichen Magneten ausbilden.

Brennen eines Plasmas bedeutet dabei, dass eine elektrische Gasentladung ständig aufrecht erhalten wird.

Bei einem Sputterprozess können zeitliche und auch räumliche Variationen der Plasmaintensität auftreten. Diese Variationen können beispielsweise durch geometrische Einflüsse der Be­ schichtungsanordnung oder durch den Einfluss im Reaktionsraum befindlicher Anoden hervorgerufen werden. Diese Variationen stören im Allgemeinen das Beschichtungsergebnis. Um eine Schichtabscheidung auch komplexer Materialien mit reprodu­ zierbaren Eigenschaften erfolgreich zu gestalten, ist eine hohe Kontrolle des zur Schichtabscheidung herangezogenen Plasmas von Nöten. Daher kann eine Instabilität des Plasmas die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten stark beein­ flussen.

Aus diesem Grund sollte eine solche Instabilität des Plasmas unter allen Umständen unterbunden werden.

Durch eine Anpassung des Magnetfeldes, d. h. durch Anordnung als auch durch eine geeignete Zusammenstellung der Magnete könnte ein möglichst homogenes und stabil brennendes Plasma entlang von Magnetrontracks erzeugt werden. Dieser bei der Konstruktion und Bau der Kathode erfolgende Schritt kann im Allgemeinen beim späteren Betrieb der Kathode nicht mehr ohne weiteres korrigiert werden. Zudem kann auch zwischen einzel­ nen Beschichtungsprozessen nicht mehr auf durch Beschich­ tungsgeometrien oder variierende Anodenverhältnisse hervorge­ rufene Inhomogenitäten des Plasmas reagiert werden.

Aus der Europäischen Patentschrift EP 0 324 123 A2 ist be­ reits bekannt, die anteilsmäßige Zusammensetzung einer Schicht auf dem zu beschichtenden Substrat mit Hilfe einer Veränderung des Magnetfeldes des Magnetrons zu steuern. Um eine Veränderung des Magnetfeldes vornehmen zu können, ohne die gesamte Kathodenvorrichtung auswechseln zu müssen, ist ein Magnethebesystem vorgesehen, mit dessen Hilfe der Durch­ griff des Magnetfeldes durch die Kathode variiert werden kann. Dadurch wird die Stärke und auch die Geometrie des Mag­ netfeldes im Ganzen verändert. Die Magnetfeldzusammenset­ zungscharakteristik ist dabei von der Breite einer Aper­ turblende abhängig.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein einfaches und an die Gegebenheiten anpassungsfähiges Verfahren bereit­ zustellen, mit dessen Hilfe ein Plasma in Abhängigkeit eines spezifischen Magnetron-Sputterprozesses lokal gesteuert, ins­ besondere stabilisiert und homogenisiert werden kann, d. h. lokale Inhomogenitäten des Plasmas vermieden werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung eines Plasmas in einem Magnetron-Sputterprozess, wobei das Plasma, das sich vorwie­ gend im Bereich von Magnetrontracks ausbildet, mittels Blen­ den, die entlang von mindestens einem Magnetrontrack angeord­ net werden, in seiner Ausbildung lokal beeinflusst wird. Un­ ter einem Magnetrontrack versteht man dabei den das Plasma ionisierende Bereich, der sich oberhalb der Kathodenoberflä­ che ausbildet. Dieser ist für das Zerstäuben (Sputtern) der Kathodenoberfläche verantwortlich.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weisen die Blenden eine derartige Form auf, dass die Ausbildung des Plasmas entlang des mindestens einen Magnetrontracks stabili­ siert und/oder räumlich homogenisiert wird.

Vorzugsweise werden mehrere Blenden verwendet. Die Blenden weisen eine spezifische Form auf und werden vorzugsweise oberhalb der Kathodenoberfläche angebracht. In Abhängigkeit von den Druckverhältnissen wird dabei ein optimaler Abstand von der Kathodenoberfläche ermittelt. Dabei verfolgen die Blenden, wie bereits erläutert, die entsprechenden Konturen der Magnetrontracks. Durch diese Anordnung und die spezielle Formgebung der Blenden kann lokal eine Einschnürung bzw. eine Intensitätserhöhung der aktiv brennenden Fläche, d. h. des Plasmas erreicht werden. Auf diese Weise gelingt es, die Aus­ bildung des Plasmas entlang der Magnetrontracks zu stabili­ sieren und räumlich zu homogenisieren.

Mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Blenden erfolgt so­ mit u. a. eine Art Modellierung des Magnetrontracks in der Breite.

Ferner sind die Blenden vorzugsweise so geformt, dass ein Ar­ beitspunkt der Kathode bei einer vorgegebenen Leistung lokal variierbar ist. Im Allgemeinen wird der Arbeitspunkt einer Kathode durch die angelegte Spannung und die Stromdichte be­ stimmt. Bei reaktiven Sputterprozessen spielt ebenfalls die lokale Leitfähigkeit, insbesondere der Targetoberfläche eine Rolle, da ein Rücksputtern von isolierendem Material auf die Kathode stattfindet. Aufgrund von Plasmainhomogenitäten im Verlauf eines Magnetrontracks, z. B. bedingt durch Inhomoge­ nitäten des Magnetfeldes oder bedingt durch lokales Rücksput­ tern, kommt es lokal zu unterschiedlichen Stromdichten und somit bei gleicher Leistung auch zu lokal unterschiedlichen Arbeitspunkten. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen, ge­ eignet geformten Blenden werden diese lokal auftretenden Plasmainhomogenitäten vermieden, so dass eine einheitliche Stromdichte und somit auch ein einheitlicher Arbeitspunkt entlang eines Magnetrontracks erzielt wird. Ferner wird dadurch erreicht, dass die durch das zur Zerstäubung vorgesehe­ ne Target vorgegebene Stöchiometrie erhalten bleibt. Durch eine entsprechende Anordnung der Blenden ist es auch möglich, den Arbeitspunkt der Kathode im Gesamten zu variieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Form der Blenden in Abhängigkeit von dem speziellen Magnetron-Sputterprozess iterativ vorgenommen und von Beschichtungsprozess zu Beschichtungsprozess optimiert. Die Beurteilung des Plasmas hinsichtlich seiner Homogenität und/oder Stabilität kann dabei in-situ durch entsprechend ge­ eignete Implementierung von Plasmasonden bzw. Langmuirsonden beispielsweise entlang eines Magnetrontracks erfolgen. Inho­ mogenitäten sind durch Spannungsab- bzw. -zunahme charakteri­ siert, Instabilitäten durch zeitliche Schwankungen.

Um eine möglichst gute Stabilisierung und Homogenisierung des Plasmas zu erreichen, müssen eine spezielle Form der Blende bzw. der Blenden, d. h. eine spezifische Profilierung der Blenden, deren Abstand zu der Kathode und das Potential, auf welchem die Blende bzw. die Blenden liegen, aufeinander abge­ stimmt und optimiert werden. Durch eine flexible Formgebung können bei einem spezifischen Magnetron-Sputterprozesses lo­ kal auftretende, die Stabilität und/oder Homogenität des Plasmas störende bzw. beeinflussende Faktoren berücksichtigt werden. Insbesondere kann auf durch Beschichtungsgeometrien oder aber durch variierende Anodenverhältnisse hervorgerufene Inhomogenitäten des Plasmas reagiert werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung war es, eine Magnetron- Sputteranlage zur Herstellung von beschichteten Substraten bereitzustellen, mit deren Hilfe ein Plasma in Abhängigkeit eines spezifischen Magnetron-Sputterprozesses lokal gesteu­ ert, insbesondere stabilisiert und homogenisiert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine erfindungsgemäße Magnetron-Sputteranlage gemäß Anspruch 5, wobei die Magnetro- Sputteranlage mindestens eine Magnetronkathode, einen Magne­ ten mit einem Magnetfeld und eine Anode aufweist und zudem Blenden entlang von mindestens einem Magnetrontrack vorgese­ hen sind, die das Plasma in seiner Ausbildung beeinflussen.

Vorzugsweise weisen die Blenden dabei eine derartige Form auf, dass die Ausbildung des Plasmas im Bereich entlang des mindestens einen Magnetrontracks stabilisiert und /oder homo­ genisiert wird bzw. dass ein einheitlicher Arbeitspunkt der Kathode entlang des mindestens einen Magnetrontracks erzielt wird.

Weiterhin vorzugsweise ist dabei die Form der Blenden in Ab­ hängigkeit von dem spezifischen Magnetron-Sputterprozess va­ riierbar. Die Blenden werden dabei vorteilhafterweise so an­ geordnet, dass sie einen Arbeitspunkt der Magnetronkathode im Gesamten bei einer vorgegebenen Leistung variieren.

Ferner ist es denkbar, das Magnetfeld mittels eines oder meh­ rerer magnetischer Kurzschlüsse zu steuern.

Die Standardmagnetronkathoden sind im Allgemeinen für einen Druckbereich von 0,001 bis 0,01 mbar ausgelegt. Die Feldstär­ ke des bzw. der Magnete ist entsprechend angepasst, so dass für diesen Druckbereich ein optimierte räumliche Verteilung des Plasmas vorliegt. Bei einer Druckerhöhung jedoch, wie beispielsweise auf 0,1 bis 0,5 mbar ist zum einen die Magnet­ feldstärke für diesen Druckbereich zu stark, zum anderen führen Inhomogenitäten des Magnetfeldes zu drastischen Inhomoge­ nitäten der Plasmainstensität. Durch magnetische Kurzschlüsse kann das Magnetfeld entsprechend gesteuert, insbesondere ab­ geschwächt bzw. korrigiert werden ohne das Magnetsystem zu ändern. Letzteres wäre für große Kathoden, wie sie üblicher­ weise in diesem Anwendungsbereich verwendet werden, technisch schwierig und nahezu irreversibel.

Zur weiteren Stabilisierung bzw. Homogenisierung eines Plas­ mas, insbesondere des Plasmapotentials, kann es vorteilhaft sein, neben der bisher erläuterten Anordnung von Blenden ent­ lang von Magnetrontracks zudem Blenden vorzusehen, die vor­ zugsweise in Bezug auf die Kathodenoberfläche oberhalb der ersten Blende bzw. Blenden angeordnet sind. Diese machen eine zusätzliche Korrektur des Potentials im relevanten Bereich des Plasmas möglich. Korrektur heißt hier Potentialausgleich entlang des Magnetrontracks. Es ergibt sich somit eine Art Stapelanordnung von Blenden. Während mittels der zuerst er­ läuterten Anordnung von Blenden entlang von Magnetrontracks ein einheitlicher Arbeitspunkt der Kathode entlang der Magnetrontracks erzielt werden kann, können durch die zusätz­ liche Anordnung von Blenden oberhalb der zuerst genannten Blenden, d. h. durch die Stapelanordnung der Blenden eventuell über die Breite der jeweiligen Magnetrontracks auftretende Potentialunterschiede des Plasmas vermieden bzw. ausgeglichen werden.

Je nach Plasmaintensität ist ein Abstand zwischen den ersten Blenden und den darüber befindlichen Blenden in einem Bereich von 1 bis 30 mm, vorzugsweise von 5 bis 15 mm sinnvoll.

Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Figur erläutert.

Fig. 1 Schematische Querschnittsdarstellung einer Katho­ denanordnung einer Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Magnetron-Sputteranlage.

In Fig. 1a und 1b ist jeweils ein Querschnitt einer Katho­ denanordnung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetron-Sputteranlage dargestellt. Der prinzipielle Aufbau der Magnetron-Sputteranlage entspricht hier im wesentlichen, mit Ausnahme des Vorhandenseins und der Anordnung von Blen­ den, dem Aufbau der Magnetron-Sputteranlage wie er in Fig. 1 der bereits erwähnten Druckschrift EP 0 324 123 dargestellt ist. In einer extra dafür vorgesehenen Vertiefung 2 einer Ka­ thode 1 ist ein zur Zerstäubung notwendiges Target 3 angeord­ net. Das Target 3 besitzt eine bestimmte stöchiometrische Zu­ sammensetzung, die dann auch die stöchiometrische Zusammen­ setzung der durch den Sputterprozess durchzuführenden Be­ schichtung eines Substrats bestimmt bzw. vorgibt.

Bei der Verwendung einer Magnetron-Sputteranlage bei einer Sputterdeposition, d. h. bei einer Beschichtung eines Sub­ strats, bilden sich aufgrund von vorzugsweise in der Kathode 1 befindlichen Magneten Magnetrontracks oberhalb der Katho­ denoberfläche, insbesondere oberhalb des in der Kathode 1 in­ tegrierten Targets 3 aus. Hier ist ein Magnetrontrack 4 dar­ gestellt, der senkrecht zur Bildebene verläuft. Unter einem Magnetrontrack versteht man dabei, wie bereits erläutert, den das Plasma ionisierenden Bereich. In diesem ionisierten Be­ reich 5 des Plasmas brennt das Plasma verstärkt. Wie bereits erwähnt, bedeutet Brennen eines Plasmas, dass eine elektri­ sche Gasentladung ständig aufrecht erhalten wird. Dieser Be­ reich 5 ist für das Zerstäuben des Targets 3 verantwortlich. Durch die Anordnung von erfindungsgemäßen Blenden 6a, 6b oberhalb des Targets 3 und entlang von dem Magnetrontrack 4 kann die Ausbildung des ionisierten Bereichs 5 des Plasmas lokal und gezielt beeinflusst werden. In Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in der Magnetron-Sputteranlage wird dabei ein optimaler Abstand d von der Kathodenoberfläche bzw. vom Target 3 im Hinblick auf die Homogenität und Stabilität des ionisierten Bereichs 5 des Plasmas ermittelt. Die Blenden 6a, 6b weisen dabei von oben betrachtet eine derartige Form auf, dass das Plasma entlang des Magnetrontracks 4 homogenisiert und stabilisiert wird, was für eine gleichmäßige Beschichtung unabdingbar ist. Durch die Blenden 6a, b können der Magnetrontrack 4 und somit das brennende Plasma bzw. der io­ nisierte Bereich 5 des Plasmas in der Breite b modelliert werden. Durch die von Beschichtungsprozess zu Beschichtungs­ prozess variierbare Anordnung und Form der Blenden 6a, b kann lokal eine Einschnürung bzw. eine partielle Löschung der ak­ tiv brennenden Fläche erreicht werden, was durch Vergleich der Fig. 1a und 1b deutlich erkennbar ist. Dabei ist also durch die Wahl unterschiedlich geformter und angeordneter Blenden 6a, b entlang eines Magnetrontrack 4 ermöglicht, die Stromdichte lokal zu variieren und so einen einheitlichen Ar­ beitspunkt des Systems entlang des Magnetrontracks 4 zu er­ zielen, bzw. lokal variierende Arbeitspunkte auszugleichen. Nur so ist auch eine einheitliche Stöchiometrie der durch den Sputterprozess zu erzielenden Beschichtung eines Substrats sichergestellt.

Aufgrund von eventuell auftretenden Inhomogenitäten des Plas­ mas bzw. des ionisierten Bereich 5 des Plasmas entlang des Magnetrontracks 4 und damit einhergehenden lokalen Schwankun­ gen der Stromdichte kommt es zu lokal variierenden Arbeits­ punkten, die sich durch die angelegte Spannung und der Strom­ dichte bestimmen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung eines Plasmas (5) in einem Magnetron-Sputterprozess, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (5) mittels Blenden (6a, b), die entlang von mindestens einem Magnetrontrack angeordnet werden, in seiner Ausbildung lokal beeinflusst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Blenden (6a, b) mit einer derartigen Form verwendet wer­ den, dass die Ausbildung des Plasmas (5) entlang des mindes­ tens einen Magnetrontracks stabilisiert und/oder homogeni­ siert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Blenden (6a, b) derart angeordnet werden, dass ein Ar­ beitspunkt einer Magnetronkathode bei einer vorgegebenen - Leistung variiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Blenden (6a, b) in Abhängigkeit von dem speziellen Magnetron-Sputterprozess iterativ variiert und op­ timiert wird.

5. Magnetron-Sputteranlage zur Herstellung von beschichteten Substraten, die mindestens aufweist:

• a) eine Magnetronkathode (1),
• b) einen Magneten mit einem Magnetfeld,
• c) eine Anode,

dadurch gekennzeichnet,
dass entlang von mindestens einem Magnetrontrack Blenden (6a, b) vorgesehen sind, die ein Plasma (5) in seiner Ausbildung lokal beeinflussen.

6. Magnetron-Sputteranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (6a, b) eine derartige Form aufweisen, dass die Ausbildung des Plasmas (5) entlang des mindestens einen Magnetrontacks stabilisiert und/oder räumlich homogenisiert wird.

7. Magnetron-Sputteranlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Blenden (6a, b) in Abhängigkeit von einem spezifischen Magnetron-Sputterprozess variierbar ist.