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Die Erfindung bezieht sich auf ein DC-Plasmasystem, umfassend eine DC-Leistungsversorgung, die mit einer Kathode und einer Anode einer Plasmakammer verbunden ist, wobei die Anode der Plasmakammer während der Plasmabearbeitung elektrisch schwebt.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Zünden eines Plasmas einer Plasmakammer eines DC-Plasmasystems, die eine elektrisch schwebende Anode hat, wenn ein Plasma in der Plasmakammer vorhanden ist.
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Ein derartiges System und Verfahren sind in der
US 2007/0181063 A1 beschrieben. In diesem Dokument wird darauf hingewiesen, dass bei Halbleiterherstellungsverfahren ein Plasma aus positiven Ionen, negativen Ionen und Neutronen in eine Bearbeitungskammer eingebracht wird, um die Herstellung des Halbleiterbauelements zu unterstützen. Während der Bearbeitung wird das Plasma wiederholt gelöscht und neu gezündet, während neue Substrate in die Kammer zur Bearbeitung eingebracht werden. Bei einigen Prozessen kann das Plasma in einem mehrere Schritte umfassenden Prozess, der an einem Substrat innerhalb einer einzigen Kammer ausgeführt wird, zwischen den Schritten gelöscht und neu gezündet werden. Außerdem kann das Plasma sich unerwarteterweise mitten in einem Prozessschritt selbst löschen oder ausfallen, wenn die Prozessbedingungen instabil werden, wodurch ein erneutes Zünden des Plasmas erforderlich wird.
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Bei Kammerausführungen, bei welchen die Anode elektrisch isoliert ist und die Spannung zum Zünden und Aufrechterhalten von Plasma mit einer Kathode und einem Plasmakammerpotential verbunden ist, kann die Anode in Richtung des Kathodenpotentials schweben. Während die Anode in Richtung des Kathodenpotentials schwebt, sinkt die Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode. Diese Verringerung der Potentialdifferenz kann ausreichen, um eine Plasmazündung zu verhindern. Außerdem wird, je länger die Kathodenspannung bei voller Zündung gehalten wird, ohne dass das Plasma zündet, das schwebende Anodenpotential sich dem Kathodenpotential weiter annähern, wodurch Plasmazündung weiter verhindert wird.
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Das in der
US 2007/0181063 A1 vorgeschlagene Verfahren zum Zünden eines Plasmas beinhaltet die Schritte des Reduzierens der Größe der an die Kathode angelegten Spannung, wenn das Plasma nach dem Anlegen einer Plasmazündspannung an eine Kathode einer Bearbeitungskammer nicht gezündet hat. Weiterhin beinhaltet es ein erneutes Anlegen einer geringeren Plasmazündspannung an die Kathode und Überwachen der Bearbeitungskammer, um festzustellen, ob das Plasma gezündet hat. Die Schritte des Reduzierens der Größe der Kathodenspannung und des erneuten Anlegens der Plasmazündspannung können wiederholt werden, bis das Plasma zündet. Dieses Verfahren kann langwierig und schlecht kontrollierbar sein.
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Bei Kammerausführungen, bei welchen die Anode elektrisch isoliert ist und die Spannung zum Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas mit einer Kathode und einer Anode verbunden ist, gibt es auch oft Probleme mit der richtigen Zündung des Plasmas zwischen der Kathode und der Anode. Insbesondere wenn die Kapazität zwischen der Anode und den Kammerwänden im Vergleich zu der Kapazität zwischen der Kathode und den Kammerwänden klein ist, schwebt die Anode von dem Plasmakammerpotential weg und das Kathodenpotential kann in Richtung der Plasmakammer schweben. Falls dies passiert, ist die Differenz zwischen dem Kathodenpotential und dem Plasmakammerpotential oft zu klein, um zu einer Zündung zu führen. Oft wird anstelle der richtigen Zündung nur die Kathode oder nur die Anode gezündet, wodurch ein stabiler jedoch ungeeigneter Zustand eintritt. Dies bedeutet, dass keine richtige Magnetronentladung vorhanden ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine DC-Plasmaversorgung zu finden, mit welchen die richtige Zündung eines Plasmas sichergestellt und gut kontrolliert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein DC-Plasmasystem umfassend eine DC-Leistungsversorgung, die mit einer Kathode und einer Anode einer Plasmakammer verbunden ist, wobei die Anode der Plasmakammer während der Plasmabearbeitung elektrisch schwebt, wobei ein Schalter vorgesehen ist, der zwischen einem Anodenpotential und einem Plasmakammerpotential angeschlossen ist, das oft mit Schutzerde verbunden ist. Wenn eine Spannung von z. B. 800 V zwischen der Kathode und der Anode angelegt wird, wird das Anodenpotential oft um ca. 400 V verschoben, was bedeutet, dass ca. 400 V zwischen der Kathode und dem Plasmakammerpotential und ca. 400 V zwischen der Anode und dem Plasmakammerpotential vorhanden sind. Solche Spannungen sind nicht ausreichend für eine Plasmazündung. Wenn jedoch zum Zünden das Anodenpotential mit dem Plasmakammerpotential verbunden ist, verbleibt die gesamte angelegte Spannung zwischen der Kathode und dem Plasmakammerpotential, welches nun auf dem Potential der Anode ist. Somit ist eine ausreichende Spannung zum Zünden des Plasmas in der Plasmakammer vorhanden. Nachdem das Plasma gezündet wurde, kann der Schalter wieder geöffnet werden und die Anode kann während der Plasmabearbeitung wieder auf einem schwebenden Potential sein. Oft wird eine schwebende Anode auch als elektrisch isoliert beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine schwebende Anode als Anode betrachtet, die keine direkte (strukturelle) elektrische Verbindung mit der Plasmakammer oder Schutzerde hat.
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Die Verbindung zwischen dem Anodenpotential und dem Plasmakammerpotential kann realisiert werden durch Anschluss des Schalters zwischen dem positiven Ausgang der DC-Leistungsversorgung oder der Anode und der Plasmakammerpotentialverbindung, insbesondere dem Gehäuse der Plasmakammer, das mit Schutzerde verbunden ist. Der positive Ausgang der DC-Leistungsversorgung ist mit der Anode verbunden. Dies bedeutet, dass es ausreicht, den Schalter mit dem positiven Ausgang der DC-Leistungsversorgung zu verbinden. Es ist nicht erforderlich, den Schalter direkt mit der Anode zu verbinden. Andererseits kann der Schalter mit dem mit Schutzerde verbundenen Gehäuse der Plasmakammer verbunden werden, um die Verbindung zwischen dem Anodenpotential und dem Plasmakammerpotential zu realisieren.
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Weiterhin kann ein erster Kondensator vorgesehen sein, der zwischen einem Anodenpotential und einem Plasmakammerpotential angeschlossen ist. Dieser Kondensator trägt dazu bei, Schwingungen während des Schaltens des Schalters zu verringern. Dadurch wird ein stabilerer Betrieb des Schalters sichergestellt.
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Eine Steuerung zum Steuern des Schalters kann vorgesehen sein, wobei das Steuersignal auf der Basis eines ersten und eines zweiten überwachten Parameters des DC-Plasmasystems erzeugt wird, insbesondere auf der Basis einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms der DC-Leistungsversorgung. Wenn ein gemessener Ausgangsstrom unterhalb eines ersten Sollwerts ist, und eine gemessene Ausgangsspannung höher als ein zweiter Sollwert ist, kann der Schalter so lange angeschaltet sein, bis der Ausgangsstrom unterhalb eines dritten Sollwerts ist. Somit kann die Zündung eines Plasmas sichergestellt werden. Andererseits kann das DC-Plasmasystem geschützt werden, indem der Schalter nicht länger als eine vorgegebene Zeit geschlossen bleibt, z. B. nicht länger als 2 ms.
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Die Steuerung kann einen digitalen Signalprozessor aufweisen. Dadurch wird eine sehr schnelle Signalverarbeitung sichergestellt.
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Weiterhin kann eine Schutzschaltungsanordnung parallel zu dem Schalter vorgesehen sein. Somit kann der Schalter vor hohen Spannungsspitzen geschützt werden. Durch Verwendung einer Schutzschaltungsanordnung kann insbesondere verhindert werden, dass hohe Spannungsspitzen am Ausgang des Schalters den Steuereingang des Schalters beeinflussen, was einen instabilen und unerwünschten Betrieb des Schalters zur Folge hat.
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Die Schaltungsanordnung kann einen Widerstand in Reihe mit einem zweiten Kondensator aufweisen. Dadurch können Schwingungen gedämpft werden, wodurch der Betrieb des Schalters stabiler wird.
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Weiterhin kann die Schaltungsanordnung eine Diode aufweisen, die parallel zu dem Widerstand angeordnet ist. Dies verbessert den Schutz des Schalters.
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Eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen eines ersten Parameters und ein Zeitmesser können vorgesehen sein, die beide mit der Steuerung des Schalters verbunden sind, wobei der Schalter geschlossen gehalten wird, bis der überwachte erste Parameter einen dritten Sollwert passiert oder eine vorgegebene Zeit nach Schließen des Schalters vergangen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Schalter nicht zu lange geschlossen bleibt, so dass die Plasmabearbeitung sofort nach Zünden des Plasmas beginnt.
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Andererseits kann der Schalter für eine vorgegebene minimale Zeit geschlossen gehalten werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Schalter lange genug geschlossen bleibt, um eine Zündung des Plasmas sicherzustellen.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Zünden eines Plasmas in einer Plasmakammer eines DC-Plasmasystems, das eine elektrisch schwebende Anode hat, wenn ein Plasma in der Plasmakammer vorhanden ist, wobei das Anodenpotential vorübergehend elektrisch mit dem Plasmakammerpotential verbunden wird, um das Plasma innerhalb der Plasmakammer zu zünden. Somit kann ein Zünden eines Plasmas in einem DC-Plasmasystem, das eine elektrisch schwebende Anode hat, sichergestellt werden.
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Das Anodenpotential kann vorübergehend mit dem Plasmakammerpotential durch Schließen eines Schalters, der zwischen einem Anodenpotential und der Plasmakammer angeschlossen ist, elektrisch verbunden werden. Somit kann auf sehr einfache Weise eine elektrische Verbindung zwischen der normalerweise schwebenden Anode und dem Plasmakammerpotential realisiert werden.
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Gemäß einer Verfahrensvariante wird ein erster Parameter des DC-Plasmaversorgungssystems überwacht und mit einem ersten Sollwert verglichen, um ein erstes Vergleichsergebnis zu erhalten, ein zweiter Parameter des Plasmasystems wird überwacht und mit einem zweiten Sollwert verglichen, um ein zweites Vergleichsergebnis zu erhalten und der Schalter wird geschlossen, wenn das erste Vergleichsergebnis einer ersten vorgegebenen Bedingung entspricht und das zweite Vergleichsergebnis einer zweiten vorgegebenen Bedingung entspricht. Somit kann der Schalter geschlossen werden, wenn der Ausgangsstrom geringer als ein erster Sollwert ist und die Ausgangsspannung der DC-Plasmaversorgung größer als ein zweiter Sollwert ist. Somit kann eine Situation ermittelt werden, in der kein Plasma in der Plasmakammer vorhanden ist, aber ein Zünden des Plasmas ausgeführt werden muss. Die Vergleiche können von Komparatoren ausgeführt werden und die Ausgänge von einem oder mehreren Komparatoren können mit einem oder mehreren Logikgattern verbunden werden, die den Komparatoren nachgelagert und vor einer den Schalter steuernden Steuerung vorgesehen sein können.
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Der erste Parameter kann überwacht und der Schalter geschlossen bleiben bis der überwachte erste Parameter einen dritten Sollwert passiert oder eine vorgegebene Zeit nach Schließen des Schalters vergangen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Schalter direkt nach Zünden des Plasmas geöffnet wird. Wenn andererseits das Plasma aus irgendeinem Grund nicht zündet, öffnet sich der Schalter wieder, um eine Beschädigung der Plasmakammer zu verhindern.
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Der Schalter kann für eine vorgegebene minimale Zeit geschlossen bleiben. Dadurch wird sichergestellt, dass der Schalter lange genug geschlossen ist, um ein Zünden des Plasmas sicherzustellen.
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Die Lehren der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei Betrachtung der folgenden detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines DC-Plasmasystems;
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2 Schaubilder zur Darstellung des Betriebs des DC-Plasmasystems.
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1a zeigt ein DC-Plasmasystem 1. Das DC-Plasmasystem 1 umfasst eine DC-Leistungsversorgung 2 mit einem negativen Ausgang 3 und einem positiven Ausgang 4. Der negative Ausgang 3 ist mit einer Kathode K verbunden und der positive Ausgang 4 ist mit einer Anode A einer Plasmakammer 5 verbunden. Das Gehäuse der Plasmakammer 5 ist mit Schutzerde PE verbunden. Ein Schalter S ist zwischen dem positiven Ausgang 4 und somit dem Anodenpotential und Schutzerde PE angeschlossen.
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Parallel zu dem Schalter S ist eine Schutzschaltung 6 vorgesehen, die eine Diode D aufweist, die in Reihe mit einem Kondensator C2 und einem mit der Diode D parallel geschalteten Widerstand R geschaltet ist. Die Schutzschaltung 6 schützt den Schalter S. Insbesondere dämpft die Schutzschaltung 6 Schwingungen, die auftreten, wenn der Schalter S geöffnet und geschlossen wird. Der Kondensator C1, der zwischen der Anode A und Schutzerde PE angeschlossen ist, trägt auch zur Dämpfung von Schwingungen bei.
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Eine erste Überwachungsvorrichtung 7 ist mit dem positiven Ausgang 4 verbunden und misst als ersten überwachten Parameter den Ausgangsstrom Iout der DC-Leistungsversorgung 2 oder einen damit in Beziehung stehenden Parameter und erzeugt einen ersten Messwert VIout. Eine zweite Überwachungsvorrichtung 8 ist zwischen den negativen Ausgang 3 und den positiven Ausgang 4 der DC-Leistungsversorgung 2 angeschlossen und misst die Ausgangsspannung Uout der DC-Leistungsversorgung 2 oder einen damit in Beziehung stehenden Parameter als zweiten überwachten Parameter und erzeugt einen zweiten gemessenen Wert VUout. Die erste Überwachungsvorrichtung 7 ist mit zwei Komparatoren K1, K3 der DC-Leistungsversorgung 2 verbunden. Die zweite Überwachungsvorrichtung 8 ist mit einem zweiten Komparator K2 der DC-Leistungsversorgung 2 verbunden. In dem Komparator K1 wird die Ausgangsgröße der Überwachungsvorrichtung 7 mit einem ersten Sollwert Vref1 verglichen. In dem Komparator K2 wird die Ausgangsgröße der zweiten Überwachungsvorrichtung 8 mit einem zweiten Sollwert Vref2 verglichen und in dem dritten Komparator K3 wird die Ausgangsgröße der ersten Überwachungsvorrichtung 7 mit einem dritten Sollwert Vref3 verglichen. Die Ausgangsgrößen der Komparatoren K2 und K3 werden einem UND-Gatter 9 zugeführt, dessen Ausgangsgröße einer Steuerung DSP in Form eines digitalen Signalprozessors zugeführt wird. Die Ausgangsgröße des Komparators K1 wird direkt der Steuerung DSP zugeführt. Auf der Basis der Signale, die von dem Komparator K1 und dem UND-Gatter 9 ausgegeben werden, erzeugt die Steuerung DSP ein Steuersignal Uctrl zum Steuern des Schalters S.
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Weiterhin umfasst die Steuerung DSP einen Zeitmesser 10, um minimale und maximale Zeiten zu bestimmen, während denen der Schalter S geschlossen ist. Das Gehäuse der DC-Leistungsversorgung 2 wird ebenfalls mit Schutzerde PE verbunden. Weiterhin ist in dem vorliegende Beispiel die DC-Leistungsversorgung 2 mit einem Versorgungsnetz über Anschlüsse L1, L2, L3 verbunden.
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Der Betrieb des DC-Plasmasystems 1 wird nun mit Hilfe von 2 beschrieben. Zwischen den Punkten A und B beträgt die Ausgangsspannung Uout der DC-Leistungsversorgung 2, gemessen von der zweiten Überwachungsvorrichtung 8, –800 V. Aufgrund der schwebenden Anode A ist die Ausgangsspannung Uout nur teilweise zwischen der Kathode K und PE vorhanden. Die Spannung Uk zwischen der Kathode K und PE liegt bei –400 V. Die Spannung Ua zwischen der Anode A und PE beträgt +400 V. Da in der Plasmakammer 5 kein Plasma vorhanden ist, liegt der Ausgangsstrom Iout bei 0 A. Da der erste Messwert VIout des Ausgangsstroms Iout niedriger als der erste Sollwert Vref1 ist und der zweite Messwert VUout der Ausgangsspannung Uout höher als der zweite Sollwert Vref2 ist und der erste Messwert VIout des Ausgangsstroms Iout unterhalb eines dritten Sollwerts Vref3 liegt, ist die Bedingung für eine Zwangszündung des Plasmas erfüllt. Deshalb wird ein Signal Uctrl, welches den Schalter S ansteuert, von der Steuerung DSP bei Punkt B erzeugt. Somit ist das Anodenpotential mit Schutzerde PE verbunden, die mit der Plasmakammer verbunden ist und somit das Plasmakammerpotential in diesem Fall bildet, was zu einem Spannungsabfall zwischen der Anode A und PE führt, was sich in dem Signal Ua zeigt. Die Anode A ist nun bei 0 V gemessen gegen PE, wohingegen die volle Ausgangsspannung Uout nun zwischen der Kathode K und PE vorhanden ist. Deshalb liegt die Spannung Uk der Kathode K bei –800 V, gemessen gegen PE. Der Strom Iout steigt zwischen B und C. Bei Punkt C steigt der Ausgangsstrom Iout über den dritten Sollwert Vref3, was dazu führt, dass der Signalpegel des Signals Uctrl sich ändert. Dies bedeutet, dass der Schalter S wieder geöffnet wird. Die Zeit t1, die zwischen Punkten B und C vergangen ist, ist kürzer als eine vorgegebene Zeit. Deshalb wird der Schalter S geöffnet, wenn der Ausgangsstrom Iout über den dritten Sollwert Uref3 steigt. Wäre der Ausgangsstrom Iout nicht über den dritten Sollwert Vref3 gestiegen, wäre der Schalter S nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit zwischen Punkten B und C geöffnet worden, um das Plasmasystem 1 zu schützen. Nach einer Stabilisierungsperiode zwischen Punkten C und D wird die Ausgangsspannung Uout auf –600 V reduziert. Bei Punkt D wird das Plasma gezündet und der Plasmaprozess läuft in der Plasmakammer 5 ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0181063 A1 [0003, 0005]
