DE102012109093B4 - Method for controlling the performance of reactive sputtering processes - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung der Leistung bei reaktiven Sputterprozessen, wobei eine Spannung zwischen einem Target und einer Gegenelektrode angelegt wird, das Target durch eine Impedanz zwischen Target und Gegenelektrode eine Istleistung aufnimmt und die Durchflussmenge eines dem Sputterprozess zugeführten Reaktivgases mittels eines Reglers in einem Regelprozess mit einer Regelzeit geregelt wird, wobei der Regelprozess einen Einschaltmodus, einen Betriebsmodus und einen Ausschaltmodus aufweist, wobei der Regler (2) mit der von dem Target aufgenommenen Istleistung Pist als Regelgröße beaufschlagt und ein Leistungssollwert Psoll als Führungsgröße an dem Regler (2) eingestellt wird und der Reaktivgasfluss F durch den Regler (2) so eingestellt wird, dass die Regelabweichung (Psoll – Pist) aus Leistungssollwert Psoll und Istwert der Leistung Pist minimal wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (1) mit im Zeitbereich der Regelzeit konstanter Spannung UT erfolgt und dass im Betriebsmodus bei einer Veränderung der Sollleistung Psoll des Targets die Istleistung Pist des Targets dem mit einer sich zeitlich verändernden Begrenzung versehenen Wert der Sollleistung Psoll zeitlich verzögert nachgeführt wird.Method for controlling the power in reactive sputtering processes, wherein a voltage between a target and a counter electrode is applied, the target by an impedance between the target and counter electrode receives an actual power and the flow rate of the sputtering process supplied reactive gas by means of a regulator in a control process with a control time wherein the control process comprises a switch-on mode, an operating mode and a switch-off mode, wherein the regulator (2) is acted upon by the actual power Pist absorbed by the target and a power setpoint Psoll is set as a reference variable on the controller (2) and the reactive gas flow F is set by the controller (2) such that the control deviation (Psoll - Pist) from the power setpoint Psoll and the actual value of the power Pist becomes minimal, characterized in that the energy supply (1) takes place with a constant voltage UT in the time range of the control time andIn the operating mode, with a change in the setpoint power Psoll of the target, the actual power Pist of the target is tracked in a time-delayed manner with the value of the setpoint power Psoll provided with a time-varying limitation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leistung bei reaktiven Sputterprozessen, wobei eine Spannung zwischen einem Target und einer Gegenelektrode angelegt wird, das Target durch eine Impedanz zwischen Target und Gegenelektrode eine Istleistung aufnimmt und die Durchflussmenge eines dem Sputterprozess zugeführten Reaktivgases mittels eines Reglers in einem Regelprozess mit einer Regelzeit geregelt wird, wobei der Regelprozess einen Einschaltmodus, einen Betriebsmodus und einen Ausschaltmodus aufweist, wobei der Regler mit der von dem Target aufgenommenen Istleistung Pist als Regelgröße beaufschlagt und ein Leistungssollwert Psoll als Führungsgröße an dem Regler eingestellt wird und der Reaktivgasfluss F durch den Regler so eingestellt wird, dass die Regelabweichung (Psoll – Pist) aus Leistungssollwert Psoll und Istwert der Leistung Pist minimal wird. The invention relates to a method for controlling the power in reactive sputtering processes, wherein a voltage between a target and a counter electrode is applied, the target by an impedance between the target and counter electrode receives an actual power and the flow rate of the sputtering process supplied reactive gas by means of a regulator in a control process is controlled by a control time, wherein the control process comprises a power-on mode, an operation mode and a power down mode, wherein the controller with the power absorbed by the target actual power P is applied as a controlled variable and a desired power value P soll is set as a guidance variable to the controller and the reactive gas flow F is adjusted by the controller so that the control deviation (P set - P) is intended for performance target value P and the actual value of the power P is minimal.

Es ist zum Beschichten von Substraten bekannt, diese in eine Vakuumbeschichtungsanlage einzubringen, in der mittels einer Kathodenzerstäubung, einem sogenannten Sputtern, aus einem Target Material herausgelöst wird, das sich dann auf dem Substrat abscheidet. Dabei ist auch möglich, ein reaktives Sputtern durchzuführen. It is known for coating substrates to introduce them into a vacuum coating system in which material is dissolved out of a target by means of cathode sputtering, a so-called sputtering, which then deposits on the substrate. It is also possible to perform a reactive sputtering.

Beim reaktiven Sputtern wird dem Prozess ein Reaktivgas zugesetzt, das mit dem Material des Targets reagiert. Damit ist es möglich, nicht nur eine Materialschicht aus dem Material des Targets sondern auch ein chemisch verändertes Material, nämlich das Reaktionsprodukt auf dem Substrat abzuscheiden. Allerdings ist der reaktive Sputterprozess oft sehr instabil in der Übergangszone zwischen dem metallischen und reaktiven Modus. In diesem Bereich ist der reaktive Sputterprozess häufig mit einer sehr ausgeprägten und unerwünschten Hysterese verbunden. Diese stellt ein Regelproblem dar, da es ab einem gewissen Sauerstoffpartialdruck zwei Arbeitspunkte gibt, die erst bei hohen Gasflüssen wieder zusammenlaufen. Eine Einschaltregelung in einer Sputterbeschichtungsanlage ist beispielsweise in DE 101 35 761 A1 offenbart. In reactive sputtering, a reactive gas is added to the process which reacts with the material of the target. This makes it possible to deposit not only a material layer of the material of the target but also a chemically modified material, namely the reaction product on the substrate. However, the reactive sputtering process is often very unstable in the transition zone between the metallic and reactive modes. In this area, the reactive sputtering process is often associated with a very pronounced and undesirable hysteresis. This is a rule problem, since there are two operating points above a certain oxygen partial pressure, which converge again only at high gas flows. A switch-on control in a sputter coating system is, for example, in DE 101 35 761 A1 disclosed.

Nach dem Stand der Technik sind folgende Maßnahmen bekannt, das Problem zu lösen:

  • 1. Bei dem Plasma-Emissions-Monitoring (PEM), erfolgt eine Regelung des Reaktivgasflusses, um den Arbeitspunkt im Transition-Mode stabil zu halten, wobei Verschiedene Möglichkeiten genutzt werden, den Arbeitspunkt zu bestimmen. Der Nachteil besteht darin, dass die Regelung eine schnelle Reaktion des Gaseinlass und Bestimmung des Arbeitspunktes voraussetzt (Reaktionszeit von kleiner als 50 Millisekunden).
  • 2. Bei einer Regelung der eingespeisten Leistung besteht der Nachteil darin, dass sie eine schnelle Reaktion des Generators und eine schnelle Bestimmung des Arbeitspunktes voraussetzt.
  • 3. Es wird ein hohes Saugvermögen der Pumpe genutzt, um nichteineindeutige Kennlinienbereiche zu umgehen (S-Kurve ohne rückwärts gerichteten Teil). Der Nachteil besteht in einem hohen Hardwareaufwand.
  • 4. Es kann auch eine spannungskonstanter Energieeinspeisung genutzt werden, um nichteineindeutige Kennlinienbereiche zu umgehen. Allerdings besteht hierbei das Problem darin, dass der Sputterprozess nicht konstant ist und somit Veränderungen im Sputterprozess Auswirkungen auf die Qualität der Beschichtung haben.
According to the prior art, the following measures are known to solve the problem:
  • 1. In plasma emission monitoring (PEM), the reactive gas flow is controlled to keep the operating point stable in the transition mode, whereby various possibilities are used to determine the operating point. The disadvantage is that the control requires a rapid reaction of the gas inlet and determination of the operating point (reaction time of less than 50 milliseconds).
  • 2. When controlling the power fed in, the disadvantage is that it requires a fast reaction of the generator and a quick determination of the operating point.
  • 3. It is used a high pumping speed of the pump, so as not to bypass unambiguous characteristic ranges (S-curve without backward part). The disadvantage is a high amount of hardware.
  • 4. It is also possible to use a voltage-constant energy supply in order to avoid non-unique characteristic ranges. However, the problem here is that the sputtering process is not constant and thus changes in the sputtering process affect the quality of the coating.

Bei einer Regelung des Reaktivgasflusses in Abhängigkeit von der Targetspannung, muss der Regler sehr schnell arbeiten, um die oben dargestellte Instabilität auszugleichen. In 1 ist der Regelprozess nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei wird an der Energieversorgung 1 ein Leistungssollwert Psoll eingestellt, wobei sich eine bestimmte Spannung UT, die zwischen Target und Gegenelektrode angelegt wird, und ein der Impedanz R und dem Leistungssollwert Psoll entsprechender Strom einstellt. Der aktuelle Spannungswert UT wird von der Energieversorgung 1 als Regelgröße dem Regler 2 zugeführt. An dem Regler 2 ist ein Spannungssollwert Usoll als Führungsgröße eingestellt. Über einen nicht näher dargestellten Durchflussmengenregler, der üblicherweise als MFC (= Mass Flow Controller) bezeichnet wird, wird dann der Reaktivgasfluss F so eingestellt, dass die Regelabweichung (Usoll – UT) aus Istwert der Spannung UT und Spannungssollwert Usoll minimal wird. When regulating the reactive gas flow as a function of the target voltage, the regulator must work very fast to compensate for the instability described above. In 1 the control process according to the prior art is shown. It will be at the power supply 1 a target power value P set is set, wherein a certain voltage U T , which is applied between the target and counter electrode, and adjusts a current corresponding to the impedance R and the power setpoint P soll . The current voltage value U T is from the power supply 1 as a controlled variable to the controller 2 fed. On the regulator 2 is a voltage value U to set as a reference variable. Via a flow rate regulator, not shown in detail, which is commonly referred to as MFC (= mass flow controller), then the reactive gas flow F is set so that the control deviation (U soll - U T) from the actual value of the voltage U T and voltage setpoint U soll is minimal ,

Der Regler 2 ist, wie eingangs erwähnt, sehr schnell arbeitend auszubilden, was einen hohen technischen Aufwand mit sich bringt. The regulator 2 is, as mentioned above, form very fast working, which brings a high technical effort with it.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, die Steuerung der Leistung bei reaktiven Sputterprozessen so zu gestalten, dass der Aufwand für die Herstellung des Reglers unter Beibehaltung der Stabilität des Sputterprozesses verringert werden kann. It is therefore an object of the invention to make the control of the power in reactive sputtering processes so that the cost of producing the regulator while maintaining the stability of the sputtering process can be reduced.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 12 geben besondere Ausgestaltungen des Verfahrens an. The object is achieved by a method having the features of claim 1. The claims 2 to 12 indicate particular embodiments of the method.

Das Verfahren der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung mit im Zeitbereich der Regelzeit konstanter Spannung UT erfolgt und dass im Betriebsmodus bei einer Veränderung der Sollleistung Psoll des Targets Istleistung Pist des Targets dem mit einer sich zeitlich verändernden Begrenzung versehenen Wert der Sollleistung PSoll zeitlich verzögert nachgeführt wird. The method of the aforementioned type is characterized in that the energy supply is provided in the time domain of control time constant voltage U T, and that in the operating mode with a change of the target power P to the target actual power P is of the target to the value provided with a time-varying boundary the target power P target is tracked with a time delay.

Für die Durchführung des Verfahrens wird zweckmäßigerweise eine solche Energieversorgungsschaltung eingesetzt, an der ein Spannungssollwert einstellbar ist, mit dem die Höhe der durch die Energieversorgung zur Verfügung gestellten Spannung bestimmt wird. For carrying out the method, such a power supply circuit is expediently used, on which a desired voltage value can be set with which the level of the voltage provided by the power supply is determined.

Dadurch wird es möglich, die konstante Spannung in einer definierten Höhe einzustellen. Dies ermöglicht aber in einer weiteren Ausgestaltung auch, dass der Spannungssollwert über die Targetlebensdauer nachgeführt wird. Somit kann die Beschichtungsqualität auch über die Targetlebensdauer konstant gehalten werden. This makes it possible to set the constant voltage at a defined height. However, in a further embodiment, this also makes it possible to track the voltage setpoint over the target service life. Thus, the coating quality can be kept constant over the target life.

Eine Möglichkeit der Spannungsnachführung besteht darin, dass der Spannungssollwert aus einer Tabelle, in der der Targetlebensdauer entsprechende Spannungssollwerte gespeichert sind, ausgelesen und eingestellt wird. One way of voltage tracking is to read out and set the voltage setpoint from a table in which voltage setpoints corresponding to the target life are stored.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Spannungssollwert als Stellgröße eines Kaskadenregelkreises, dessen Regelgröße aus einer externen Messung eines Parameters der abgeschiedenen Schicht ermittelt wird, wirkt. Das heißt, dass der Spannungssollwert zwar innerhalb der erfindungsgemäßen Lösung, d.h. der hier betrachteten Regelzeiten, konstant ist, jedoch über größere Zeiträume angepasst wird, wobei mit der Messung der Schichtparameter die Anpassung so vorgenommen wird, dass die Schichtparameter auch über die Targetlebensdauer konstant bleiben. Damit wird die Targeterosion über die Spannungsnachführung ausgeregelt. Da dieser Regelkreis neben dem Regelkreis, der der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, besteht, wird dieser hier als Kaskadenregelkreis bezeichnet. Another possibility is that the voltage setpoint acts as a manipulated variable of a cascade control loop whose controlled variable is determined from an external measurement of a parameter of the deposited layer. That is, while the voltage setpoint is within the inventive solution, i. is constant, but is adjusted over longer periods of time, with the measurement of the layer parameters, the adjustment is made so that the layer parameters remain constant over the target life. Thus, the target erosion is corrected by the voltage tracking. Since this control loop is in addition to the control loop, which serves to carry out the method according to the invention, this is referred to here as a cascade control loop.

Zur sicheren Vermeidung des Überschreitens einer Leistung an dem Target kann vorgesehen werden, dass an der Energieversorgung ein Leistungsgrenzwert einstellbar ist. To safely avoid exceeding a power at the target can be provided that at the power supply, a power limit is adjustable.

Es ist vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem Einschaltvorgang oder bei einem Zünden des Plasmas einzusetzen. Dabei wird die Istleistung des Targets in Abhängigkeit vom Erreichen des Spannungssollwertes und einer voreingestellten Maximalleistung des Targets zu dem Einschaltzeitpunkt zeitlich verzögert schrittweise erhöht. Somit kann eine Überlastung des Targets im Einschaltfall vermieden werden. It is advantageous to use the method according to the invention also during a switch-on process or during ignition of the plasma. In this case, the actual power of the target is incrementally increased in time as a function of reaching the voltage setpoint and a preset maximum power of the target at the switch-on time. Thus, an overload of the target can be avoided when switching.

Zur Gestaltung der dem Target zur Verfügung stehenden Leistung im Einschalt- oder Zündprozess wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens der Regler inaktiv geschalten und ein fest eingestellter Reaktivgasfluss eingestellt und während des Einschalt- oder Zündvorganges konstant gehalten. Damit würde sich sofort eine Leistung entsprechend des Reaktivgasflusses einstellen, die zu einer Belastung des Targets führen könnte. Dies wird durch das zweite Merkmal dieser Verfahrensgestaltung verhindert, bei dem nämlich der Leistungsgrenzwert mittels einer ersten zeitlich ansteigenden Rampenfunktion, bewertet wird. Damit kann die Leistung am Target durch den konstant eingestellten Reaktivgasstrom immer an die jeweils eingestellte Leistungsgrenze gehen und steigt mit dieser allmählich an. To design the power available to the target in the switch-on or ignition process, in one embodiment of the method the controller is switched inactive and a fixed set reactive gas flow is set and kept constant during the switch-on or ignition process. This would immediately set a power corresponding to the reactive gas flow, which could lead to a load on the target. This is prevented by the second feature of this method design, namely the power limit value is evaluated by means of a first time-increasing ramp function. As a result, the power at the target can always go to the respectively set power limit due to the constantly set reactive gas flow and gradually increase with it.

Leistungssprünge am Target, die zu einer Überlastung führen können lassen sich in einer weiteren Verfahrensgestaltung dadurch vermeiden, dass nach dem Einschalten oder Zünden des Plasmas bei einer Änderung des Leistungssollwertes durch eine schrittweise Erhöhung des Leistungsgrenzwerts die Istleistung des Targets einer zweiten Rampenfunktion folgt. Sobald sich also die Leistung infolge der Veränderung des Leistungssollwertes sehr schnell ändern würde, setzt die sich zeitlich langsam verändernde Begrenzung der zur Verfügung gestellten Leistung ein, wodurch sich die an das Target abgegebene Leistung nur langsam ändern kann. Performance jumps on the target, which can lead to an overload can be avoided in a further process design that follows after switching on or igniting the plasma at a change in the power setpoint by gradually increasing the power limit, the actual power of the target a second ramp function. So as soon as the power would change very quickly as a result of the change in the power setpoint, the time slowly changing limitation of the power provided, whereby the output power to the target can change only slowly.

Um sicher zu stellen, dass die über dem Target abfallende Leistung in keinem Falle eine zulässige Grenze überschreitet, kann vorgesehen werden, dass der einzustellende Grenzwert auf ein voreingestellte Leistungsmaximum begrenzt wird. In order to ensure that the power dropping above the target does not exceed an allowable limit in any case, it can be provided that the limit value to be set is limited to a preset power maximum.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Regler einen „Flow“-Modus aufweist, bei dem der Regler den Reaktivgasfluss auf einen voreingestellten Wert unabhängig von der Regelabweichung konstant hält. In a further embodiment of the method, it is provided that the controller has a "flow" mode, in which the controller keeps the reactive gas flow constant to a preset value independently of the control deviation.

Bei einem beabsichtigten Ausschalten wird der an dem Regler eingestellte Leistungssollwert mittels einer dritten zeitlich abhängigen Rampenfunktion gesenkt, bis sich ein Leistungssollwert einstellt, der einem Reaktivgasfluss im „Flow“-Modus entspricht. Anschließend wird der Regler in den „Flow“-Modus geschalten und die Istleistung des Targets zu dem Zeitpunkt des Einleitens des Ausschalten zeitlich verzögert verringert, indem der Leistungsgrenzwert mit der fortgesetzten dritten Rampenfunktion bewertet wird. Upon an intentional turn-off, the power setpoint set to the controller is decreased by a third time-dependent ramp function until a power setpoint corresponding to a reactive flow in "flow" mode is established. Subsequently, the controller is switched to the "flow" mode and the actual power of the target at the time of initiating the turn-off is reduced in time by evaluating the power limit with the continued third ramp function.

Die Erfindung gibt in ihrer Gesamtheit eine robuste Methode an, um den reaktiven Sputterprozess bei einer konstanten Leistung im Transition-Mode zu stabilisieren. The invention as a whole provides a robust method to stabilize the reactive sputtering process at a constant transition mode performance.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings shows

1 eine schematische Darstellung des Regelverfahrens nach dem Stand der Technik, 1 a schematic representation of the control method according to the prior art,

2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens 2 a schematic representation of the control method according to the invention

3. den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Einschalten nach Anspruch 7 oder 8, 3 , the sequence of the method according to the invention when switching on according to claim 7 or 8,

4 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebsmodus nach Anspruch 9, 4 the sequence of the method according to the invention in the operating mode according to claim 9,

5 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebsmodus mit einer Begrenzung des Leistungssollwertes nach Anspruch 10 und 5 the sequence of the method according to the invention in the operating mode with a limitation of the power setpoint according to claim 10 and

6 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem beabsichtigten Ausschalten nach Anspruch 12. 6 the sequence of the method according to the invention in an intended turn-off according to claim 12.

Wie in 2 dargestellt, wird – ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Methode der spannungskonstanten Energieeinspeisung, die auch in Verbindung mit hohem Saugvermögen der installierten Pumpen erfolgen kann – eine Regelung der durch die Energieversorgung abgegebenen Leistung PT über die Stellung des Sauerstofffluss F implementiert. Diese Regelung kann viel langsamer (Reaktionszeit > 1 Sekunde) erfolgen als bei den Regelungen nach Stand der Technik. Zusätzlich erfolgt die Regelung der Leistung PT so, dass die tatsächlich an den Prozess gelieferte Leistung PT durch eine Rampenfunktion 3 begrenzt wird. Der Verfahrensablauf im laufenden Betrieb ist in den 4 und 5 dargestellt. Es existiert darüber hinaus ein Einschaltregime, wie in 3 dargestellt und ein Ausschaltregime, wie in 6 dargestellt, in welchem die Leistung PT über eine Rampenfunktion 3 hoch oder runter gefahren wird. Die Erfindung bietet die zusätzliche Möglichkeit, dass der Spannungssollwert Usoll über die Targetlebensdauer nachgeführt wird. Für die Einstellung des Spannungssollwertes Usoll stehen Methoden wie „Lookup-Table“ oder Kaskadenregler mit externer Messung eines Parameters der abgeschiedenen Schicht (auch Metrologie) zur Verfügung. As in 2 is shown - starting from the well-known method described above, the constant-voltage power supply, which can also be done in conjunction with high pumping speed of the installed pump - a scheme of the power P T delivered through the power supply via the position of the oxygen flow F. This regulation can be done much slower (reaction time> 1 second) than with the regulations according to the state of the art. In addition, the regulation of the power P T is performed so that the power actually delivered to the process P T by a ramp function 3 is limited. The procedure during operation is in the 4 and 5 shown. There is also a switch-on regime, as in 3 shown and a shutdown regime, as in 6 shown in which the power P T via a ramp function 3 is driven up or down. The invention offers the additional possibility that the voltage setpoint U set is tracked over the target service life. Is intended for setting the voltage command value U are methods such as "Lookup Table" or cascade controller with an external measurement of a parameter of the deposited layer (also metrology) is available.

Die einzelnen Verfahrensschritte sind zur besseren Übersichtlichkeit in den Zeichnungen erklärt, wobei die Rechtecke mit der linken abgeschrägten Ecke Werte- oder Parametereingaben, die sechseckigen Felder Kommentare und alle anderen Felder Funktionen oder Funktionsausführungen darstellen. The individual process steps are explained for clarity in the drawings, with the rectangles with the left bevelled corner represent values or parameter inputs, the hexagonal fields comments and all other fields functions or functionalities.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Verfahrens wird es möglich, eine robuste Methode der Stabilisierung des Arbeitspunktes durch die Art der Energieversorgung in Verbindung mit einer konstanten Energieeinspeisung zu nutzen. The inventive design of the method, it is possible to use a robust method of stabilizing the operating point by the type of power supply in conjunction with a constant energy input.

Weitere Ausgestaltungen sind in einer Regelung des Reaktivgasflusses F zu sehen, so dass der eingespeiste Strom konstant gehalten wird, wobei die Leistung PT variieren kann. Auch eine Regelung des Reaktivgasflusses F so, dass dessen Partialdruck konstant gehalten wird (Messung beispielsweise durch Lambda-Sonde oder Massenspektrometer) ist möglich. Further embodiments can be seen in a regulation of the reactive gas flow F, so that the fed-in current is kept constant, wherein the power P T can vary. A regulation of the reactive gas flow F so that its partial pressure is kept constant (measurement, for example by lambda probe or mass spectrometer) is possible.

Grundsätzlich werden zwei Sollwerte (Leistung Psoll und Spannung Usoll) über Apparaturen (Energieversorgungseinheit 1 und Regler 2) bereitgestellt. Basically, two setpoints (power P soll and voltage U soll ) via apparatuses (power supply unit 1 and regulators 2 ) provided.

Das Problem, dass sich dabei ergibt, besteht darin, dass im Steuerungsmodus „VOLTAGE“ der Energieversorgungseinheit 1 für das Erreichen der dem Target zur Verfügung gestellten Leistung PT der Regler 2 verantwortlich ist. Dieser arbeitet zügig und ohne Zeitregime. The problem with this is that in control mode "VOLTAGE" of the power supply unit 1 to achieve the power P T provided to the target, the controller 2 responsible for. This works quickly and without time regime.

Die Folge ist, dass bei einem Wechsel des Wertes der Soll-Leistung Psoll, in drei Fällen:

  • – Einschalten (z.B. 0 auf 20kW) [ ]
  • – Ausschalten (z.B. 20 auf 0kW) [ ]
  • – Leistungsanpassung (z.B. 20 auf 60kW im Betrieb)
diese Leistung PT nahezu ohne Zeitverzögerung an dem Target anliegt und dieses „stresst“. Ein abrupter Leistungsanstieg könnte dabei bis zum Aufschmelzen eines metallischen Targets führen. The consequence is that when changing the value of the target power P soll , in three cases:
  • - switch on (eg 0 to 20kW) [ ]
  • - switch off (eg 20 to 0kW) [ ]
  • - power adjustment (eg 20 to 60kW in operation)
this power P T is applied to the target with almost no time delay and this "stresses". An abrupt increase in power could lead to the melting of a metallic target.

Durch die Erfindung wird dieses Problem nun gelöst, indem die Leistung PT als „Rampe“ sukzessive erhöht wird. In dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Erhöhung und auch Verringerung, d.h. die Änderung der dem Target zur Verfügung PT gestellten Leistung in Teilschritten. The invention solves this problem by successively increasing the power P T as a "ramp". In the embodiment presented here, the increase and also reduction, ie the change of the power available to the target P T is performed in substeps.

In diesem Beispiel beträgt die maximale Leistungsänderung pro Teilschritt entweder ca. 10% der vorher dem Target zur Verfügung gestellten Leistung PT oder sie entspricht einem fest eingestelltem Wert von beispielsweise 1kW. Die Rate für die Leistungsänderung, d.h. der Anstieg, ist entweder bestimmt durch ein feste Zeit für einen Teilschritt, z.B. 3s für 1 kW, oder durch eine Regel- oder Messgröße aus dem Sputterprozess. Diese Regelgröße kann der Istwert der Leistung Pist, d.h. die Leistung, die momentan tatsächlich vom Target verbraucht wird, sein, wie dies in 2 dargestellt ist. Sie kann aber auch aus einer Regelung des Reaktivgasflusses F, entweder so dass der eingespeiste Strom konstant gehalten wird, wobei die Leistung variieren kann oder so, dass dessen Partialdruck konstant gehalten wird, entnommen werden. In this example, the maximum power change per sub-step is either about 10% of the previously provided to the target power P T or it corresponds to a fixed value, for example, 1kW. The rate of power change, ie, the increase, is either determined by a fixed time for a substep, eg, 3s for 1 kW, or by a control or measurand from the sputtering process. This control variable, the actual value of the power P, ie, the power that is currently actually consumed by the target be, as in 2 is shown. However, it can also be taken from a regulation of the reactive gas flow F, either so that the fed-in current is kept constant, wherein the power can vary or so that its partial pressure is kept constant.

Mit dem derartigen Targetschutz lässt sich die Energieversorgungseinheit 1 überhaupt erst im Steuerungs-Modus „VOLTAGE“ betreiben. With the target protection of this kind, the power supply unit can be installed 1 operate only in control mode "VOLTAGE".

Der Steuerungs-Modus „VOLTAGE“ wiederrum, lässt eine Steuerung für das reaktive Sputtern zu, insbesondere SiO2. Dort gelingt es, so den Arbeitspunkt im „Transition“-Modus der Hysterese stabil zu halten. The control mode "VOLTAGE", in turn, allows a control for the reactive sputtering, in particular SiO 2 . There, it is possible to keep the operating point in the "transition" mode of hysteresis stable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Energieversorgung power supply
2 2
Regler regulator
3 3
Rampenfunktion ramp function
Psoll P should
Leistungssollwert  Power setpoint
UT U T
Targetspannung target voltage
R R
Impedanz impedance
Usoll U shall
Spannungssollwert  Voltage setpoint
F F
Reaktivgasfluss Reactive gas flow
Pist P is
Istleistung  actual power
PT P T
dem Target zur Verfügung gestellte Leistung  the power provided to the target
Pmax P max
Leistungsgrenzwert  power limit

Claims (12)

Verfahren zur Steuerung der Leistung bei reaktiven Sputterprozessen, wobei eine Spannung zwischen einem Target und einer Gegenelektrode angelegt wird, das Target durch eine Impedanz zwischen Target und Gegenelektrode eine Istleistung aufnimmt und die Durchflussmenge eines dem Sputterprozess zugeführten Reaktivgases mittels eines Reglers in einem Regelprozess mit einer Regelzeit geregelt wird, wobei der Regelprozess einen Einschaltmodus, einen Betriebsmodus und einen Ausschaltmodus aufweist, wobei der Regler (2) mit der von dem Target aufgenommenen Istleistung Pist als Regelgröße beaufschlagt und ein Leistungssollwert Psoll als Führungsgröße an dem Regler (2) eingestellt wird und der Reaktivgasfluss F durch den Regler (2) so eingestellt wird, dass die Regelabweichung (Psoll – Pist) aus Leistungssollwert Psoll und Istwert der Leistung Pist minimal wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (1) mit im Zeitbereich der Regelzeit konstanter Spannung UT erfolgt und dass im Betriebsmodus bei einer Veränderung der Sollleistung Psoll des Targets die Istleistung Pist des Targets dem mit einer sich zeitlich verändernden Begrenzung versehenen Wert der Sollleistung Psoll zeitlich verzögert nachgeführt wird. Method for controlling the power in reactive sputtering processes, wherein a voltage between a target and a counter electrode is applied, the target by an impedance between the target and counter electrode receives an actual power and the flow rate of the sputtering process supplied reactive gas by means of a regulator in a control process with a control period wherein the control process comprises a switch-on mode, an operating mode and a switch-off mode, the controller ( 2 ) With the power absorbed by the target actual power P is applied as a controlled variable and a desired power value P set (as a reference variable to the controller 2 ) and the reactive gas flow F through the regulator ( 2 ) is adjusted so that the control deviation (P soll - P is ) from power setpoint P setpoint and actual value of the power P is minimal, characterized in that the power supply ( 1 ) Are constant in the time domain of control time voltage U T, and that in the operating mode with a change of the target power P to the target the actual power P is of the target which is provided with a time-varying boundary value of the target power P soll is tracked delayed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Energieversorgung (1) ein Spannungssollwert Usoll einstellbar ist, mit dem die Höhe der durch die Energieversorgung (1) zur Verfügung gestellten Spannung UT bestimmt wird. Method according to claim 1, characterized in that at the power supply ( 1 ) a voltage setpoint U soll is adjustable, with which the height of the energy supply ( 1 ) provided voltage U T is determined. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssollwert Usoll über die Targetlebensdauer nachgeführt wird. A method according to claim 2, characterized in that the voltage setpoint U soll is tracked over the target life. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssollwert Usoll aus einer Tabelle, in der der Targetlebensdauer entsprechende Spannungssollwerte gespeichert sind, ausgelesen und eingestellt wird. A method according to claim 3, characterized in that the voltage command value V set is read out from a table in which the target life corresponding to voltage command values are stored and adjusted. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssollwert Usoll als Stellgröße eines Kaskadenregelkreises, dessen Regelgröße aus einer externen Messung eines Parameters der abgeschiedenen Schicht ermittelt wird, wirkt. A method according to claim 3, characterized in that the voltage command value U to the manipulated variable of a cascade loop, whose control variable is determined from an external measurement of a parameter of the deposited layer, acts. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Energieversorgung (1) ein Leistungsgrenzwert Pmax einstellbar ist. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that at the power supply ( 1 ) a power limit P max is adjustable. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einschaltvorgang oder bei einem Zünden des Targets die Istleistung des Targets in Abhängigkeit vom Erreichen des Spannungssollwertes Usoll und einer voreingestellten Maximalleistung des Targets zu dem Einschaltzeitpunkt zeitlich verzögert schrittweise erhöht wird. Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that at a switch-on or ignition of the target, the actual power of the target in response to reaching the voltage setpoint U soll and a preset maximum power of the target at the switch-on is delayed in time gradually increased. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (2) inaktiv geschalten und ein fest eingestellter Reaktivgasfluss F eingestellt und während des Einschalt- oder Zündvorganges konstant gehalten wird und dass der Leistungsgrenzwert Pmax mittels einer ersten zeitlich ansteigenden Rampenfunktion (3), bewertet wird. Method according to claim 7, characterized in that the controller ( 2 ) is switched inactive and a fixed set reactive gas flow F is set and kept constant during the switch-on or ignition process and that the power limit P max by means of a first time-increasing ramp function ( 3 ), Is evaluated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einschalten oder Zünden des Plasmas bei einer Änderung des Leistungssollwertes Psoll durch eine schrittweise Erhöhung des Leistungsgrenzwerts die Istleistung des Targets einer zweiten Rampenfunktion folgt. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that after switching on or igniting the plasma at a change of the power setpoint P soll by a stepwise increase of the power limit, the actual power of the target follows a second ramp function. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der einzustellende Grenzwert auf ein voreingestellte Leistungsmaximum begrenzt wird. Method according to one of claims 2 to 6 and 9, characterized in that the limit value to be set is limited to a preset power maximum. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (2) einen „Flow“-Modus aufweist, bei dem der Regler (2) den Reaktivgasfluss F auf einen voreingestellten Wert unabhängig von der Regelabweichung (Psoll – Pist) konstant hält. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the controller ( 2 ) has a "flow" mode in which the controller ( 2 ) The reactive gas flow F will to a preset value regardless of the control deviation (P - P is holding) constant. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem beabsichtigten Ausschalten der an dem Regler (2) eingestellte Leistungssollwert Psoll mittels einer dritten zeitlich abhängigen Rampenfunktion (3) gesenkt wird, bis sich ein Leistungssollwert Psoll einstellt, der einem Reaktivgasfluss im „Flow“-Modus entspricht, dass der Regler (2) anschließend in den „Flow“-Modus geschalten wird und dass die Istleistung des Targets zu dem Zeitpunkt des Einleitens des Ausschalten zeitlich verzögert verringert wird, indem der Leistungsgrenzwert Pmax mit der fortgesetzten dritten Rampenfunktion bewertet wird. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that at an intended turn off the on the controller ( 2 ) set power value P soll by means of a third time-dependent ramp function ( 3 ) is lowered until a power setpoint P soll , which corresponds to a reactive gas flow in the "flow" mode, is reached Controller ( 2 ) is then switched to the "flow" mode and that the actual power of the target at the time of initiating the switch-off is reduced delayed by the power limit P max is evaluated with the continued third ramp function.
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