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
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.
- 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
Der Regler
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
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
Wie in
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
Das Problem, dass sich dabei ergibt, besteht darin, dass im Steuerungsmodus „VOLTAGE“ der Energieversorgungseinheit
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)
- - switch on (eg 0 to 20kW) [
- - switch off (eg 20 to 0kW) [
- - power adjustment (eg 20 to 60kW in operation)
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
Mit dem derartigen Targetschutz lässt sich die Energieversorgungseinheit
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
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