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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas mittels eines Magnetrons, welches beispielsweise beim Magnetron-Sputtern, beim Plasmaätzen oder bei Magnetron-PECVD-Prozessen zur Anwendung gelangt.
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Das Magnetron-Sputtern gehört zu den mit am weitesten verbreiteten Verfahren der Vakuumbeschichtung, um dünne Schichten aus Metallen, Legierungen und chemischen Verbindungen abzuscheiden. Im Falle der Zerstäubung elektrisch leitfähiger Materialien wird dazu oftmals eine Gleichstromentladung erzeugt, wobei über einer Magnetron-Targetoberfläche Leistungsdichten von maximal 50 W/cm2 erzielt werden. Bei dielektrischen Materialien wird durch RF-Entladungen das Zerstäuben des Materials, das in Form eines sog. Targets vorliegt, erreicht. Hierbei werden über einer Magnetron-Targetoberfläche Leistungsdichten um die 10 bis 20 W/cm2 erzielt. Besonders hohe Abscheideraten für das Beschichten von Substraten mit chemischen Verbindungen werden durch reaktives Sputtern eines elektrisch leitfähigen Targets in einem Inertgas-Reaktivgas-Gemisch erreicht. Um auch elektrisch nichtleitende Materialien mit hoher Abscheiderate auf Substrate aufzubringen, wurde das reaktive Sputtern mit mittelfrequent gepulsten Entladungen in die Beschichtungstechnik eingeführt. [S. Schiller, K. Goedicke, J. Reschke, V. Kirchhoff, S. Schneider, F. Milde: Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Technol. 61 (1993) 331–337].
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In der Vakuumbeschichtungstechnik ist die Aktivierung des Abscheideprozesses durch Ionen und/oder durch andere energiereiche Spezies eines Plasmas seit langem bekannt. [G. Kienel (Hsg.): Vakuumbeschichtung, Bd. 2 – Verfahren und Anlagen, VDI Verlag 1995]. Eine Vorspannung am Substrat, wie z. B. in
DE 44 12 906 C1 beschrieben, ermöglicht darüber hinaus die Erhöhung der Energie von Ionen, die während des Kondensationsprozesses auf das Substrat treffen. Auf diese Weise werden je nach Anteil und Energie der Spezies des Plasmas unterschiedliche Elementarwirkungen auf der Substratoberfläche erreicht, z. B. Desorption von Fremdatomen, locker gebundenen Atomen oder Molekülen, erhöhte laterale Beweglichkeit der kondensierenden Partikel, Implantation energetisch aktivierter Teilchen und weitere Effekte. Als Konsequenz ergibt sich eine weitreichende Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung der Struktur und der physikalisch-chemischen Eigenschaften der abgeschiedenen dünnen Schicht.
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Es gibt Vakuumbeschichtungsverfahren wie z. B. das Vakuumbogenverdampfen (arc evaporation) oder das Laser-Beschichten (laser ablation deposition), die verfahrensimmanent einen hohen Ionisierungsgrad und damit eine wirkungsvolle Steuerbarkeit des Kondensationsprozesses durch ionengestützte Prozessführung ermöglichen. Beim Magnetron-Sputtern ist dagegen der Ionisierungsgrad und damit das Potential zur Verbesserung von Schichteigenschaften begrenzt. Die Begründung liegt im Mechanismus der Magnetron-Entladung selbst, der eine hohe Plasmadichte in unmittelbarer Nähe der Katode, d. h. des Targets, durch ein speziell geformtes Magnetfeld beinhaltet. Die Ladungsträgerdichte im Bereich des zu beschichtenden Substrates ist dagegen größenordnungsmäßig geringer und liegt maximal im Prozentbereich, bezogen auf die Ladungsträgerdichte vor der Kathode. Es ist meist nicht möglich, angestrebte Verbesserungen der Schichteigenschaften bei zu geringer Plasmadichte im Bereich des Substrates dadurch zu erreichen, dass die Vorspannung am Substrat gegenüber dem Plasmapotential vergrößert wird. Die höhere Teilchenenergie führt zu veränderten Elementarprozessen während des Kondensationsprozesses, zum Beispiel zur Besetzung von Zwischengitterplätzen, massiven Strukturdefekten oder Änderung der Schichtzusammensetzung im Falle von Schichten aus chemischen Verbindungen.
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Es sind deshalb unterschiedliche Methoden und Einrichtungen zum Zerstäuben vorgeschlagen worden, um eine Verbesserung des plasmaaktivierten Sputterns zu erreichen. So ist es bekannt, für Zerstäubungseinrichtungen entsprechend dem Magnetron-Prinzip zusätzliche magnetfelderzeugende Spulen oder Permanentmagnete zu verwenden, die ein Magnetfeld erzeugen, welches dem Magnetron-Magnetfeld überlagert wird und Feldlinien in Richtung der Verbindungslinie vom Target zum Substrat aufweist. Aus der großen Zahl derartiger Anordnungen sei beispielhaft Wang [J. Wang, Y.-H. Yu, S. C. Lee, Y.-W. Chung: Tribological and optical properties of crystalline and amorphous alumina thin films grown by low-temperature reactive magnetron sputtering, Surf. Coat. Technol. 146–147 (2001) 189–194] genannt. Die Zusatz-Magnetfelder haben die Form eines Helmholtz-Feldes oder wirken als Solenoid-Spulen in Substratnähe und gegebenenfalls zusätzlich im Bereich des Targets.
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Andere Anordnungen von Magnetpolen oder Spulen sollen auf der gesamten Wand des Rezipienten eine Region höherer Plasmadichte erzeugen. Beispielhaft hierfür sind sog. Closed-field-Anordnungen [D. G. Teer: A Magnetron Sputter Ion Plating System, Surf. Coat. Technol. 36 (1988) 901–907]. Trotz eines teilweise hohen apparativen Aufwandes sind die erreichbaren Werte für die Plasmadichte in Substratnähe und somit der extrahierbare Ladungsträgerstrom am Substrat auf wenige Prozent des Entladungsstromes begrenzt.
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Um den Ionisierungsgrad zu erhöhen, kann einem Plasma auch induktiv eingekoppelte Energie zugeführt werden. Dazu dienen z. B. Induktionsspulen außerhalb des Rezipienten oder im Inneren des Rezipienten im Bereich der Wandungen und Hochfrequenz-Generatoren mit den erforderlichen Anpass-Netzwerken. Auch solche Einrichtungen, wie sie z. B. in
US 6,187,151 B1 und
US 6,350,353 B2 vorgeschlagen werden, sind technisch aufwändig und stellen für größere Substratausdehnungen und hohe Leistungen eine erhebliche Komplizierung und Verteuerung der Zerstäubungseinrichtung dar.
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Das gepulste Einspeisen von Energie in eine Magnetron-Entladung (
DD 252 205 A1 ) mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 10 bis 200 kHz, was an sich zum Verhindern des Umschlagens der Magnetron-Entladung in eine Bogenentladung beim reaktiven Abscheiden von Verbindungsschichten eingeführt worden ist, ist ebenfalls mit einer Erhöhung des Ladungsträgerbombardements und der Aktivierung des Kondensationsprozesses einer aufwachsenden Schicht verbunden.
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Eine Weiterentwicklung einer gepulsten Magnetron-Entladung durch ein zusätzlich gepulstes Magnetfeld ist aus
DE 37 00 633 C1 und
DE 103 03 428 A1 bekannt. In
DE 103 03 428 A1 wird vorgeschlagen, die Stärke eines Magnetron-Magnetfeldes periodisch oder aperiodisch zu verringern. Auf diese Weise kann in den Phasen der verringerten Magnetfeldstärke der Ionisierungsgrad des Plasmas erhöht werden. Allerdings ist auch bei dieser Vorgehensweise die Erhöhung des Ionisierungsgrades nur sehr gering, wobei der erzielbare Ionisierungsgrad immer noch im einstelligen Prozentbereich angesiedelt ist. So bleibt auch die dabei über der Magnetron-Targetoberfläche erzielte Leistungsdichte nur in einem Bereich von maximal 500 W/cm
2, wie es von anderen Magnetron-Sputterprozessen bekannt ist.
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Den Ionisierungsgrad beim Magnetron-Sputtern entscheidend zu erhöhen, gelang mit dem so genannten „Hochleistungs-Puls-Magnetronzerstäuben” [englisch „High Power (Im)Puls Magnetron Sputtering”], wofür die Kürzel HIPIMS oder HPPMS verwendet werden. Bei diesen Verfahren wird ein Plasma durch einzelne Pulse hoher Leistungsdichte angeregt, wobei das Plasma durch periodisches Entladen einer Kondensatorbank generiert wird. Mit den speziell für HIPIMS konfigurierten Stromversorgungsgeräten werden Leistungsdichten auf der Targetoberfläche von über 1 kW/cm2 erzielt. Der Ionisierungsgrad der abgestäubten Targetpartikel liegt in einem Bereich von bis zu 80%. Ein Nachteil dieser Verfahren besteht einerseits darin, dass hierfür gegenüber dem konventionellen Magnetron-Sputtern spezielle Stromversorgungseinrichtungen benötigt werden. Andererseits ergeben sich auch Nachteile aus der Prozesscharakteristik selbst.
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Die während eines Pulses zugeführte elektrische Leistung kann bis in den Megawattbereich gehen und die dem Target zugeführte Leistung mehre kW/cm2 betragen, woraus eine enorme thermische Belastung für das Magnetron resultiert. Die Zeitspanne für die Dauer von HIPIMS-Pulsen ist daher begrenzt und die Wiederholfrequenz der Pulse gering, um Beschädigungen am Magnetron zu vermeiden. Während das konventionelle Puls-Magnetron-Sputtern meist mit einer Pulswiederholfrequenz im kHz-Bereich betrieben wird, sind bei HIPIMS nur Frequenzen von maximal 100 Hz bis 500 Hz anwendbar. Der mit HIPIMS-Verfahren erzielbare Schichtaufwuchs ist daher gewöhnlich geringer als bei konventionellen Sputterverfahren.
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Seitens der für HIPIMS-Verfahren konzipierten Stromversorgungseinrichtungen ist es zwar möglich, hohe elektrische Ströme zu generieren, diese hohen Ströme in einen Puls zu treiben ist jedoch nur begrenzt umsetzbar, denn die Stromanstiegsgeschwindigkeit bei HIPIMS-Pulsen ist nicht wesentlich höher als beim konventionellen Magnetron-Sputtern. Die Pulsdauer muss deshalb meist deutlich größer gewählt werden als beim konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern, was die technische Anwendbarkeit durch die damit verbundene starke Zunahme von parasitären Bogenentladungen (Arcing) empfindlich einschränkt.
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Aus
WO 2007/076793 A1 schließlich sind HIPIMS-Verfahren bekannt, bei denen eine längsgestreckte Magnetronkathode zum Einsatz gelangt, wobei zumindest deren zugehörige magnetfelderzeugende Einrichtung in der Längsrichtung in Segmente unterteilt ist. Einerseits wird die Magnetronkathode pulsförmig mit elektrischer Energie versorgt, andererseits wird das Magnetfeld mittels mehrerer Elektromagneten während des Sputterns derart verändert, dass immer nur in einem Segment oder einer Gruppe von Segmenten das für eine Plasmaausbildung erforderliche Magnetfeld vorherrscht, so dass auch nur in diesem Segment ein Sputterabtrag erfolgt. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass auch immer nur in den lokalen Bereichen, in denen ein Sputterabtrag erfogt, eine lokal begrenzte Schichtabscheidung auf einem zu beschichtenden Substrat resultiert, was die Wirtschaftlichkeit solcher Verfahren einschränkt.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas mittels eines gepulst betriebenen Magnetrons anzugeben. Insbesondere sollen mit dem Verfahren ein hoher Ionisierungsgrad der schichtbildenden Teilchen, sowie gegenüber dem Stand der Technik höhere Stromanstiegsgeschwindigkeiten innerhalb eines Pulses erreicht werden. Einerseits sollen mittels des Verfahrens Pulse erzeugbar sein, die eine hohe Leistungsdichte aufweisen, wie sie von HIPIMS bekannt sind. Andererseits soll das Verfahren hohe Pulswiederholfrequenzen wie beim herkömmlichen Puls-Magnetron-Sputtern zulassen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Ausgehend von an sich bekannten Kathodenzerstäubungsverfahren und Zerstäubungseinrichtungen nach dem Magnetron-Prinzip, bei denen einem Magnetron die elektrische Energie in Form von Pulsen (nachfolgend „elektrische Pulse” genannt) zugeführt wird, zeichnen sich erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen dadurch aus, dass auch die Stärke eines Magnetfeldes, welches das Magnetron durchdringt, einer zeitlichen, vorzugsweise periodischen, Veränderung unterzogen wird.
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Zum Erzeugen eines variablen Magnetfeldes ist/sind insbesondere eine oder auch mehrere von einem elektrischen Strom durchflossene Magnetspule(n) geeignet, bei der/denen die an die Magnetspule angelegte elektrische Spannung kontinuierlich oder sprunghaft verändert wird. Auf diese Weise wird das Magnetron von einem Magnetfeld durchdrungen, bei dem die Magnetfeldstärke im zeitlichen Verlauf zwischen einem Minimum und einem Maximum schwankt. Die Zeitspanne zwischen zwei aufeinander folgenden temporären Minima der Magnetfeldstärke, welche ein temporäres Maximum der Magnetfeldstärke einschließen, wird nachfolgend als „magnetischer Puls” bezeichnet.
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Für ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es nicht hinreichend, wenn sowohl die einem Magnetron zugeführte elektrische Energie als auch ein das Magnetron durchdringendes Magnetfeld gepulst werden, sondern erfindungswesentlich ist, dass das Pulsen der elektrischen Energie mindestens zehnmal schneller und vorzugsweise mindestens einhundert mal schneller erfolgt als das Verändern bzw. das Pulsen des Magnetfeldes.
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Während der Zeitspanne eines magnetischen Pulses wird auf diese Weise eine Vielzahl elektrischer Pulse generiert. Somit wird sowohl die ansteigende Flanke eines magnetischen Pulses als auch die abfallende Flanke des magnetischen Pulses zeitlich von mehreren elektrischen Pulsen überlagert. Für das Pulsen der magnetischen Feldstärke sind Frequenzen in einem Bereich von 0,1 Hz bis 1 kHz geeignet. Vorzugsweise werden hierfür Frequenzen in einem Bereich von 1 Hz bis 100 Hz verwendet, weil niedrigere Frequenzen die erzielbare Abscheiderate verringern und höhere Frequenzen mit einem höheren technischen Aufwand verbunden sind.
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Es konnte festgestellt werden, dass oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz der elektrischen Pulse, die ansteigende Flanke der Magnetfeldstärke eines magnetischen Pulses mit einem Anstieg der Entladungsstrom-Anstiegsgeschwindigkeit einhergeht, so dass von einem elektrischen Puls zum nächsten elektrischen Puls ein höherer Entladungsstrom erzielbar ist. Dabei werden maximale Magnetron-Entladungsströme erzielt, die ein Vielfaches der bei konventionellen Puls-Magnetron-Verfahren erzielbaren Magnetron-Entladungsströme betragen. Höhere Entladungsströme wirken sich positiv auf die Dichte eines generierten Magnetron-Plasmas aus, wobei eine höhere Plasmadichte wiederum einen Einfluss auf die Schichteigenschaften einer beispielsweise mittels Magnetron-Sputtern abgeschiedenen Schicht ausübt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Entladungsstrom-Anstiegsgeschwindigkeiten von über 20 A/μs sowie Leistungsdichten auf einer Magnetron-Targetoberfläche von über 1 kW/cm2 realisieren. Bei bisher durchgeführten Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten bereits maximale Entladungsstromdichten von 1 A/cm2 bis 10 A/cm2 ermittelt werden, was bei einer üblichen Brennspannung von 800 V Leistungsdichten von 0,8 kW/cm2 bis 8 kW/cm2 auf einer Magnetron-Targetoberfläche ergibt.
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Im einfachsten Fall wird ein ein Magnetron durchdringendes, veränderliches Magnetfeld erzeugt, indem der elektrische Strom, der durch eine Magnetspule fließt, periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Alternativ kann der die Magnetspule durchfließende elektrische Strom auch nur so weit kontinuierlich oder sprunghaft abgesenkt und erhöht werden, dass temporäre Minima der Magnetfeldstärke größer Null erzeugt werden.
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Bei einer Ausführungsform wird das ein Magnetron durchdringende Magnetfeld durch zwei Komponenten gebildet. Eine erste Magnetfeldkomponente wird mittels mindestens eines Permanentmagneten erzeugt, welcher ein das Magnetron kontinuierlich durchdringendes Magnetfeld erzeugt. Eine zweite (bezüglich der Magnetfeldstärke) veränderliche Magnetfeldkomponente wird mittels mindestens einer stromdurchflossenen Magnetspule realisiert, wobei die Polaritäten der beiden Magnetfelder vorzugsweise derart ausgerichtet sind, dass sich die Feldstärken beider Magnetfelder addieren, denn ein erfindungsgemäßes Verfahren ist darauf ausgerichtet, magnetische Pulse mit möglichst hohen Magnetfeldstärkemaxima zu generieren.
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Je höher das Maximum der magnetischen Pulse ist, umso vorteilhafter wirkt sich dies auf die Dichte des erzeugten Plasmas aus. Zum Erzielen des gewünschten Effektes einer hohen Plasmadichte sind die temporären Maxima der Magnetfeldstärke zumindest fünfmal höher als die durchschnittliche Magnetfeldstärke einzustellen, wobei die temporären Maxima der Magnetfeldstärke vorteilhafterweise mindestens 50 kA/m aufweisen. Nach oben hin sind der Magnetfeldstärke nur durch die technisch realisierbaren Möglichkeiten Grenzen gesetzt. Vorzugsweise sind magnetische Pulse mit Maxima von 100 kA/m bis 3000 kA/m anzustreben. Mit Magnetfeldstärken in diesem Bereich lassen sich einerseits hohe Plasmadichten generieren, andererseits sind derartige Magnetfeldstärken mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand zu generieren. Die Angaben zu Magnetfeldstärken in dieser Schrift beziehen sich jeweils auf den Bereich eines Magnetfeldes, in welchem parallel zur Targetoberflache verlaufende Magnetfeldlinien direkt auf der Targetoberfläche ausgebildet werden.
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Das Pulsen des Magnetfeldes entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht auch eine vorteilhafte Verwendung einer Stromversorgung, mittels der eine Magnetspule gespeist wird. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ja, Pulse eines Magnetfeldes mit möglichst hoher Magnetfeldstärke zu generieren. Durch das Pulsen des Magnetfeldes kann die Stromversorgung oder/und die zugehörige Magnetspule während der Puls-Ein-Zeit auch in solch einem hohen Lastbereich betrieben werden, in welchem ein Dauerbetrieb nicht möglich wäre. Die Pulspausen (Puls-Aus-Zeit) zwischen den magnetischen Pulsen müssen nur so lang gewählt werden, dass die Stromversorgung oder/und die Magnetspule in den Pulspausen wieder so weit herunter gekühlt werden, dass keine Beschädigungen an der Stromversorgung oder/und der Magnetspule aus dem Überlastbetrieb resultieren.
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Bei einer Ausführungsform weist die Magnetfeldstärke im zeitlichen Verlauf periodische Schwankungen auf, wobei die Maxima der Magnetfeldstärke mit einer Periode von 10 ms bis 1 s erzeugt werden und wobei die Länge eines magnetischen Pulses (Puls-Ein-Zeit) 1 ms bis 100 ms beträgt. Dabei können die temporären Minima der Magnetfeldstärke einen ersten gleichen Wert und die temporären Maxima der Magnetfeldstärke einen zweiten gleichen Wert aufweisen. Alternativ kann das Variieren der Magnetfeldstärke aperiodisch betrieben werden. Ebenfalls im Sinne der Erfindung ist es, wenn die temporären Minima oder/und die temporären Maxima der Magnetfeldstärke mit variierenden Werten generiert werden.
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Wie bereits erwähnt ist die für ein erfindungsgemäßes Verfahren erforderliche Pulsfrequenz für die elektrische Energie auch von der Frequenz der magnetischen Pulse abhängig. Die Pulsfrequenz für die elektrische Energie wird in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 kHz eingestellt, also in einem Bereich, in welchem auch konventionelle Puls-Magnetron-Verfahren durchgeführt werden. Vorteilhaft werden jedoch für die elektrische Energie Pulsfrequenzen oberhalb von 500 Hz und somit oberhalb der Frequenzen von HIPIMS-Verfahren verwendet, weil dann zusätzlich zu dem Plasma mit hoher Intensität auch noch eine höhere Abscheiderate als bei HIPIMS-Verfahren erzielbar ist. Die Puls-Ein-Zeiten für die elektrischen Pulse werden beim erfindungsgemäßen Verfahren in einem Bereich von 5 μs bis 500 μs eingestellt.
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An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Fig. zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2a in graphischer Darstellung den zeitlichen Verlauf des elektrischen Stromes durch Spule 6 aus 1;
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2b in graphischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Magnetron-Entladungsspannung;
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2c in graphischer Darstellung den zeitlichen Verlauf des Magnetron-Entladungsstromes;
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2d in graphischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Magnetron-Entladungsspannung in höherer zeitlicher Auflösung;
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2e in graphischer Darstellung den zeitlichen Verlauf des Magnetron-Entladungsstromes in höherer zeitlicher Auflösung;
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3a–d in graphischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Magnetfeldstärke und der Entladungsströme bei unterschiedlich langen Puls-Aus-Zeiten der elektrischen Pulse;
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4 drei unterschiedliche Verlaufsformen magnetischer Pulse.
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Eine beispielhafte Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 1 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung zum plasmaaktivierten Magnetron-Sputtern, mittels der eine Zirkoniumnitrid-Schicht auf einem Substrat 1 aus Metall abgeschieden werden soll, umfasst neben dem zu beschichtenden Substrat 1 das zu zerstäubende Material in Form eines Zirkonium-Targets 2 sowie eine an sich bekannte Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetron-Magnetfeldes, welches aus zwei Magnetfeldkomponenten besteht. Eine erste, konstante Magnetfeldkomponente wird gebildet mittels erster Permanentmagneten, welche einen Außenpol 3 formen, zweiter Permanentmagneten, welche einen Innenpol 4 formen sowie eines weichmagnetischen Jochs 5. Eine zweite, variable Magnetfeldkomponente wird mittels einer elektromagnetisch erregbaren Spule 6 erzeugt, welche von einer ersten Stromversorgungseinrichtung 7 mit elektrischer Energie gespeist wird.
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Die mittels der Permanentmagneten und die mittels der Spule 6 erzeugten Magnetfelder überlagern sich derart, dass ein resultierendes Magnetron-Magnetfeld entsteht, dessen Feldlinien 8 in der Target-Ebene austreten und wieder eintreten und die insgesamt einen tunnelförmigen, in sich ringförmig geschlossenen Bereich (nachfolgend „ringförmiger Bereich” oder „Elektronenfalle” genannt) über der Targetoberfläche bilden. Dabei ist die Polarität beider Magnetfelder derart ausgerichtet, dass sich deren Magnetfeldstärken addieren, wobei die von den Permanentmagneten erzeugte konstante Magnetfeldstärke etwa ein Zehntel der maximalen mittels der Spule 6 erzeugbaren Magnetfeldstärke beträgt.
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Mittels einer zweiten Stromversorgungseinrichtung 9 wird das Zirkonium-Target 2 als Kathode einer Magnetron-Entladung geschaltet. Als Anode der Magnetron-Entladung dient ein Teil der in 1 teilweise dargestellten Wand 10 einer Vakuumkammer, in welcher die gesamte Vorrichtung untergebracht ist. Zwischen dem als Kathode geschalteten Target 2 und der als Anode fungierenden Vakuumkammerwand 10 wird mittels der Stromversorgungseinrichtung 9 ein elektrisches Feld erzeugt und somit die Magnetron-Entladung etabliert.
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Der Abscheideprozess der Zirkoniumnitrid-Schicht auf dem Substrat 1 erfolgt reaktiv, d. h. durch einen in 1 nicht dargestellten Einlass werden sowohl Argon als Inertgas als auch Stickstoff als Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen, so dass die vom Zirkonium-Target 2 abgestäubten Partikel durch das Magnetron-Plasma aktiviert werden, mit dem Stickstoff innerhalb der Vakuumkammer reagieren und sich danach in Form von Zirkoniumnitrid auf dem Substrat 1 abscheiden. Die Eigenschaften der Zirkoniumnitrid-Schicht (zum Beispiel in Bezug auf Härte, Dichte, Elastizität, Farbeindruck) werden maßgeblich von den Parametern des Magnetron-Plasmas mitbestimmt. Verfügt man über Mittel, mit denen die Parameter (zum Beispiel Dichte, Ladungsträgerenergie) des Magnetron-Plasmas in einem möglichst großen Bereich eingestellt werden können, verfügt man somit gleichzeitig über Mittel, mit denen man die Schichteigenschaften in einem großen Bereich und somit für verschiedene Anwendungszwecke einstellen kann.
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Die beiden Stromversorgungseinrichtungen 7 und 9 sind derart ausgebildet, dass diese sowohl eine konstante elektrische Spannung als auch eine gepulste elektrische Spannung mit einstellbarer Spannungshöhe bereitstellen können. Ebenfalls sind die Pulsparameter, wie die Pulsdauer sowie die Pulsfrequenz, bei beiden Stromversorgungseinrichtungen einstellbar. Auf diese Weise können sowohl ein gepulstes elektrisches Feld als auch ein gepulstes magnetisches Feld generiert werden.
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Anhand einiger Versuchsbeispiele werden nachfolgend die Auswirkungen des Veränderns von einigen Pulsparametern auf Parameter des generierten Plasmas beschrieben.
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Die 2a bis 2e zeigen graphische Darstellungen von Prozessparametern, die entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens eingestellt wurden. In 2a ist zunächst der Verlauf des durch die Spule 6 fließenden elektrischen Stroms in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Anhand der ansteigenden Flanken des durch die Spule 6 fließenden Stromes ist zu erkennen, dass von der Stromversorgung 7 alle 100 ms eine elektrische Spannung generiert und für jeweils 20 ms aufrechterhalten wird, wodurch ein Magnetron-Magnetfeld mit pulsierender Magnetfeldstärke erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß wird das gepulste Magnetron-Magnetfeld zeitlich von einem gepulsten elektrischen Feld überlagert, wobei die Pulsfrequenz des elektrischen Feldes mindestens zehnmal höher ist als die Pulsfrequenz des Magnetfeldes. In 2b ist der Verlauf der Magnetron-Entladungsspannung in Abhängigkeit von der Zeit graphisch dargestellt, wobei dieser Figur der Verlauf der Hüllkurve der Magnetron-Entladungsspannung zu entnehmen ist, aber die einzelnen Spannungspulse selbst nur andeutungsweise erkennbar sind. Aus 2b ist jedoch ersichtlich, dass von der Stromversorgungseinrichtung 9 eine Spannung von –800 V generiert wird, die zwischen dem Target 2 und der als Anode fungierenden Vakuumkammerwand 10 angelegt ist. In den Phasen, in denen Ladungsträger vorhanden sind, fällt diese Spannung folgerichtig in den Aus-Zeiten der elektrischen Pulse auf 0 V ab.
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Der Magnetron-Entladungsstrom in Abhängigkeit von der Zeit ist in 2c graphisch dargestellt. Auch hier ist der Verlauf des Entladungsstromes während einzelner elektrischer Pulse nicht auflösbar, sondern vielmehr nur die Hüllkurve des Entladungsstromes entnehmbar.
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In 2d ist ein Abschnitt des in 2b dargestellten Verlaufs der Magnetron-Entladungsspannung in einer höheren zeitlichen Auflösung graphisch veranschaulicht. In dem in 2d dargestellten Zeitabschnitt von 2 ms sind 8 Spannungspulse erkennbar, so dass daraus eine Spannungs-Pulsfrequenz von etwa 4 kHz abgeleitet werden kann. Obwohl von der Stromversorgungseinrichtung 9 eine Spannung von –800 V bereitgestellt wird, ist in 2d erkennbar, dass einige Spannungspulse eine Spannungshöhe von –1200 V erreichen. Dies rührt von Spannungsspitzen her, die während des Zündens einer Magnetron-Entladung entstehen. Dass diese Spannungspulse in 2d bei jedem zweiten Spannungspuls zu erkennen sind, ist jedoch nicht absichtlich periodisch herbeigeführt, sondern rein zufälliger Natur.
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Der gleiche zeitliche Abschnitt wie in 2d ist in 2e für den Magnetron-Entladungsstrom graphisch dargestellt. Aus dieser Abbildung sind Entladungsstrompulse mit einer Höhe von etwa 250 A bis 300 A mit sehr kurzer Pulsdauer, d. h. mit Stromanstiegsgeschwindigkeiten erkennbar, wie sie bisher weder beim konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern noch bei HIPIMS-Verfahren erreicht wurden. Während beim konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern und bei HIPIMS-Verfahren maximale Entladungsstrom-Anstiegsgeschwindigkeiten von etwa 10 A/μs erreicht werden, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Entladungsstrom-Anstiegsgeschwindigkeiten von weit über 50 A/μs erzielt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Entladungsstrompulse mit einer Höhe generiert werden, wie sie bisher nur von HIPIMS-Verfahren her bekannt waren, jedoch bei viel geringeren Pulszeiten und mit den hohen Pulswiederholfrequenzen, wie sie nur vom konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern bekannt sind. Auf diese Weise lassen sich Magnetron-Plasmen mit hoher Intensität und hoher zeitlicher Dichte generieren, wie sie bisher nicht bekannt waren. Das Variationsspektrum hinsichtlich des Einstellens von Schichteigenschaften kann dadurch weiter vergrößert werden.
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An dieser Stelle wird darauf verwiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Magnetron-Plasmas und die bei diesem Ausführungsbeispiel anhand des Abscheidens einer Zirkoniumnitrid-Schicht beschriebenen Verfahrens-Merkmale nicht nur auf den Anwendungsfall des Puls-Magnetron-Sputterns einer Zikoniumnitrid-Schicht im Speziellen oder des Puls-Magnetron-Sputterns im Allgemeinen begrenzt ist, sondern dass das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Ausführungsbeispiel beschriebenen Merkmalen bei allen Anwendungen verwendet werden kann, bei denen ein Magnetron-Plasma zum Einsatz gelangt. Beispielhaft hierfür seien das Plasmaätzen sowie Magnetron-PECVD-Verfahren genannt.
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Auch wird im Ausführungsbeispiel nur das unipolare Puls-Magnetron-Sputtern beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch bei bipolaren Magnetron-Sputter- oder PECVD-Prozessen angewendet werden. Bei diesen Anwendungsfällen kann beispielsweise der Wechsel von Kathode und Anode mit der Frequenz der Magnetfeldpulsung erfolgen, wobei das Magnetfeld, welches jeweils dem als Anode fungierenden Magnetron-Target zugeordnet ist, abgeschaltet wird, um eine geringe Entladungsimpedanz zu erzielen.
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In den 3a bis 3d wird der Einfluss der Wiederholfrequenz der elektrischen Pulse auf ein damit generiertes Magnetron-Plasma veranschaulicht. Bei allen zu den 3a bis 3d zugehörigen Laborversuchen wurden jeweils folgende Prozessparameter eingestellt: Von der Stromversorgung 7 wurde eine gepulste Spannung von 400 V bereitgestellt. Die Puls-Ein-Zeit betrug 20 ms und die Puls-Aus-Zeit 180 ms, was eine Wiederholfrequenz von 5 Hz für die magnetischen Pulse ergibt. Mit der Stromversorgung 9 wurde an dem Zirkonium-Target 2, welches eine Fläche von etwa 150 cm2 aufweist, eine gepulste Magnetron-Entladungsspannung von –550 V generiert mit einer Puls-Ein-Zeit von jeweils 50 μs. Verändert wurde bei den verschiedenen Versuchsdurchführungen lediglich die Puls-Aus-Zeit und somit die Wiederholfrequenz der Magnetron-Entladungsspannungs-Pulse oder kurz genannt, der elektrischen Pulse. Des Weiteren wurden die Permanentmagnete entfernt und ausschließlich ein gepulstes Magnetfeld mittels Magnetspule 6 erzeugt.
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Beim zu 3a zugehörigen Versuch wurde für die elektrischen Pulse eine Puls-Aus-Zeit von 5000 μs verwendet, woraus eine Pulsfrequenz von etwa 200 Hz resultiert. Hier sei noch einmal daran erinnert, dass diese Pulsfrequenz bei HIPIMS-Verfahren oftmals gar nicht mehr erreicht wird, weil diese Verfahren gewöhnlich bei einer Pulsfrequenz von etwa 100 Hz durchgeführt werden.
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Mittels eines in 1 nicht dargestellten Sensors wurde direkt über der Targetoberfläche die mittels der Spule 6 erzeugte Magnetfeldstärke erfasst. In 3a ist der Verlauf der Magnetfeldstärke während eines magnetischen Pulses bzw. ein magnetischer Puls graphisch in Form der gestrichelten Linie dargestellt. Da die die Magnetfeldstärke bestimmenden Parameter bei den zu den 3b bis 3d gehörenden Versuchen nicht verändert wurden, ist auch in diesen Figuren die gleiche Form eines magnetischen Pulses als gestrichelte Linie wiederzufinden.
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Aus 3a ist zu erkennen, dass nur wenige elektrische Pulse während des magnetischen Pulses überhaupt zum Generieren einer Magnetron-Entladung führen, was an den vereinzelten Balken, welche den Entladungsstrom während eines elektrischen Pulses angeben, zu sehen ist. Hierbei werden maximale Entladungsströme erzielt, die sich meist nicht über 100 A hinaus erstrecken. Mit solch einem Verfahren lassen sich nur Plasmen mit geringer Intensität und geringer Dichte erzielen.
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Bei 3b wurde die Puls-Aus-Zeit der elektrischen Pulse auf 2000 μs verkürzt und damit die Pulsfrequenz auf etwa 500 Hz erhöht. Bei dieser Versuchsanordnung führen schon mehr elektrische Pulse während eines magnetischen Pulses zu einer Magnetron-Entladung. Jedoch bleibt auch hier noch der maximal erzielbare Entladungsstrom auf etwa 100 A begrenzt, einer Höhe, wie sie auch vom konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern her bekannt ist.
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3c zeigt eine Darstellung, bei der die Puls-Aus-Zeit auf 1000 μs verkürzt und damit die Pulsfrequenz auf etwa 1 kHz erhöht wurde. Bei etwa –10 ms führt während des magnetischen Pulses erstmals ein elektrischer Puls zu einer Magnetron-Entladung. Nachfolgende elektrische Pulse zeichnen sich durch kontinuierlich ansteigende Entladungsströme bis zu einer maximalen Höhe von etwa 300 A aus. Damit werden Puls-Entladungsströme in einer Höhe generiert, wie sie beim konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern zumeist nicht erreichbar sind. Als Ursache hierfür ist höchstwahrscheinlich der Sachverhalt ausschlaggebend, dass die elektrischen Pulse während der ansteigenden Flanke eines magnetischen Pulses nunmehr in solch einem kurzen Abstand folgen, dass beim Beginn des Generierens eines neuen elektrischen Pulses noch ionisierte Partikel, die während des vorherigen elektrischen Pulses erzeugt wurden, vorhanden sind. Diese noch vorhandenen ionisierten Partikel stehen beim Beginn des neuen elektrischen Pulses sofort zur Verfügung, um so genannte Sekundärelektronen aus der Oberfläche eines Magnetron-Targets zu schlagen, die durch das Magnetfeld während des magnetischen Pulses im ringförmigen Bereich über der Targetoberfläche „gefangen” bleiben. Daher stehen beim Generieren des neuen elektrischen Pulses sofort Ladungsträger zur Verfügung, die gegenüber dem vorherigen elektrischen Puls höhere Entladungsstrom-Anstiegsgeschwindigkeiten ermöglichen. Diese Steigerung ist nachvollziehbarerweise nur bis etwa zur Spitze eines magnetischen Pulses möglich, weil mit Abnahme der Magnetfeldstärke immer weniger Elektronen im ringförmigen Bereich gehalten werden. Daher wird beim erfindungsgemäßen Verfahren durch die Form eines magnetischen Pulses auch im Wesentlichen die Form der Hüllkurve der während des magnetischen Pulses generierten Entladungsströme bestimmt, wie in den 3c und 3d zu erkennen ist. Unter dem Begriff „Hüllkurve” sei hierbei der Kurvenverlauf zu verstehen, der entsteht, wenn man die Maximalströme der einzelnen Entladungsstrompulse bzw. die Spitzen der senkrechten Balken miteinander verbindet.
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Dieser Effekt, dass beim Generieren eines elektrischen Pulses während eines magnetischen Pulses und nach dem erstmaligen Zünden einer Magnetron-Entladung noch ionisierte Partikel vom vorherigen elektrischen Puls vorhanden sind, tritt erst oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz der elektrischen Pulse auf, wobei diese Grenzfrequenz bei jedem Versuchsaufbau unterschiedlich sein kann und beispielsweise auch von der Frequenz der magnetischen Pulse beeinflusst wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt diese Grenzfrequenz für die elektrischen Pulse irgendwo zwischen 500 Hz und 1 kHz. Diese Grenzfrequenz bzw. eine Frequenz der elektrischen Pulse, bei der ein erfindungsgemäß vorteilhaftes Plasma mit hoher Intensität und hoher Dichte erzeugt werden kann, ist mit wenigen Versuchsdurchführungen ermittelbar und kann dann fest eingestellt bei einem Industrieprozess verwendet werden. Wird nämlich diese Grenzfrequenz bei Laborversuchen überschritten, äußert sich dies in einem sprunghaften Anstieg bei den maximalen Entladungsströmen, wie es im Ausführungsbeispiel von 3b zu 3c hin zu erkennen ist.
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Es besteht jedoch auch die Möglichkeit eines aktiven Regelvorganges für die Frequenz der elektrischen Pulse während eines Magnetron-Plasma-bildenden Verfahrens mit den erfinderischen Vorzügen. Hierzu kann während der Durchführung des Verfahrens ein Wert für eine physikalische Größe erfasst werden, welche die Anzahl noch vorhandener ionisierter Partikel und somit die Dichte eines Plasmas charakterisiert. Solch eine physikalische Größe ist beispielsweise der Biasstrom zu einem Substrat, welcher sich proportional zur Anzahl vorhandener ionisierter Partikel verhält. So kann beispielsweise der Maximalwert des Biasstroms während eines elektrischen Pulses erfasst werden. Sinkt der Biasstrom im Verlaufe der sich anschließenden Puls-Pause unter einen vorher eingestellten Grenzwert, wird spätestens dann ein neuer elektrischer Puls generiert, was durch das Erhöhen der Pulsfrequenz der elektrischen Pulse realisiert werden kann. Als Grenzwert für den Biasstrom kann beispielsweise ein vom Maximalwert des Biasstromes abhängiger prozentualer Biasstromwert verwendet werden. Dabei sollte der Grenzwert 2% des Maximalwertes für den Biasstrom nicht unterschreiten, weil kleinere Werte meist messtechnisch nicht mehr erfassbar sind. Vorzugsweise liegt der Grenzwert in einem Bereich zwischen 5% und 50% des maximalen Biasstromwertes.
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3d ist einem erfindungsgemäßen Verfahren zugehörig, bei welchem die Puls-Aus-Zeit für die elektrischen Pulse ein weiteres Mal und nunmehr auf 500 μs verkürzt und somit die Pulsfrequenz auf etwa 2 kHz erhöht wurde. Es ist zu erkennen, dass das Erhöhen der Pulsfrequenz für die elektrischen Pulse kein weiteres Erhöhen der Entladungsströme und somit kein weiteres Erhöhen der Plasmaintensität gegenüber 3c bewirkt hat, jedoch konnte der zeitliche Mittelwert der Plasmadichte durch die schnellere Abfolge der elektrischen Pulse weiter gesteigert werden. Aufgrund der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglichen viel schnelleren Abfolge elektrischer Pulse gegenüber HIPIMS-Verfahren ist erfindungsgemäß auch ein viel höherer Sputterabtrag und somit eine höhere Abscheiderate gegenüber HIPIMS-Verfahren erzielbar.
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Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass durch die Form eines magnetischen Pulses auch die Form der Hüllkurve der Entladungsströme und somit davon abhängige Plasmaparameter modelliert werden können. So verhält sich beispielsweise die Höhe der maximal zu erzielenden Entladungsströme näherungsweise proportional zur maximalen Höhe eines zughörigen magnetischen Pulses. Das Erzeugen von möglichst hohen magnetischen Pulsen wirkt sich somit vorteilhaft auf das Erzeugen möglichst hoher Entladungsströme bzw. hoher Plasmaintensitäten aus. Selbstverständlich hat aber die Puls-Ein-Zeit, wie bei herkömmlichen Puls-Magnetron-Sputter-Verfahren auch, einen Einfluss auf die Höhe der erzielbaren Entladungsströme, denn je länger die Puls-Ein-Zeit ist, umso länger kann auch der Entladungsstrom ansteigen.
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Die in den 3a bis 3d dargestellten magnetischen Pulse wurden erzeugt, indem die von Stromversorgungseinrichtung 7 generierte Spannung einfach eine erste Zeitspanne (Puls-Ein-Zeit) lang eingeschaltet und eine zweite Zeitspanne (Puls-Aus-Zeit) lang ausgeschaltet wird. Während die Puls-Ein-Zeiten einen fast linearen Anstieg der Magnetfeldstärke bewirken, sind die Puls-Aus-Zeiten durch ein nicht lineares, verzögertes Abklingen der Magnetfeldstärke charakterisiert, was sich dementsprechend auf die Form der zugehörigen Hüllkurve der Entladungsströme auswirkt, wie in den 3c und 3d zu erkennen ist. Sollen bei einer Aufgabenstellung möglichst kurze Plasmapulse mit hoher Dichte erzeugt werden, kann dies beispielsweise erreicht werden, indem die Form der magnetischen Pulse entsprechend modelliert wird. In 4 sind drei verschiedene Formen magnetischer Pulse übereinanderliegend dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich die drei Formen lediglich während der Phase des Abklingens der Magnetfeldstärke unterscheiden. Bei einer ersten Versuchsanordnung (durchgezogene Linie) wurde die Stromversorgungseinrichtung 7 einfach nur ein- und ausgeschaltet, wie bei den vorhergehend beschriebenen Versuchen. Bei einer zweiten Versuchsanordnung (gestrichelte Linie) wurden jeweils nach Beendigung einer Puls-Ein-Zeit für 10 ms die Polaritäten am Ausgang der Stromversorgung 7 getauscht und auf diese Weise ein magnetisches Gegenfeld erzeugt, was ein rascheres Abklingen der magnetischen Pulse bewirkt. Die Zeitdauer des Anlegens eines magnetischen Gegenfeldes wurde in einer dritten Versuchsanordnung (Strich-Punkt-Linie) noch einmal auf 13 ms verlängert. Die Form des magnetischen Pulses weist nunmehr in der abfallenden Phase der Magnetfeldstärke eine Form auf, die nahezu spiegelsymmetrisch zur ansteigenden Phase der Magnetfeldstärke verläuft. Durch das Erzeugen magnetischer Gegenfelder können somit die Formen magnetischer Pulse und in Folge dessen auch davon abhängige Plasmaparameter modelliert und somit beispielsweise auch Schichteigenschaften eingestellt werden.
