DE102012110041A1

DE102012110041A1 - Verfahren zur Einstellung des Arbeitspunktes beim Hochenergiesputtern

Info

Publication number: DE102012110041A1
Application number: DE201210110041
Authority: DE
Inventors: Volker Linss; Jörg Neidhardt; Manfred Schreil
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-12-24
Also published as: DE102012110040A1

Abstract

Die Erfindung betrifft bei einem Verfahren zur Abscheidung einer Schicht mittels Hochenergiesputtern insbesondere die Einstellung dessen Arbeitspunktes. Um das Arcing zu verhindern und den Prozess zu stabilisieren und insbesondere für ein reaktiv gepulstes Hochenergiesputter-Verfahren so zu gestalten, dass ein reproduzierbarer Maximalstrom zu gewährleistet ist, wird zumindest ein Bestandteil der abzuscheidenden Schicht mittels eines gepulsten Hochenergiesputterns zerstäubt und auf dem Substrat abgeschieden, welches ein Pulsmuster zum Betrieb zumindest eines Sputtermagnetrons verwendet, das aus Pulspaketen 2 mit zwei oder mehr Teilpulsen 1 gebildet ist und bei dem aus dem optischen Emissionsspektrum während der verschiedenen Teilpulse 1 Informationen zum Einstellen des Arbeitspunktes einer Entladung gewonnen werden.

Description

Die Erfindung betrifft die Ausführung eines Hochenergiesputter-Verfahrens zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat, bei dem die Energiezufuhr für das Magnetronkathode in Form von Pulsen hoher Energiedichte erfolgt. Sie betrifft insbesondere die Einstellung des Arbeitspunktes eines solchen, z.B. reaktiv geführten, Verfahrens.
Beim Sputtern wird unter Vakuum in einem inerten oder Reaktivgas enthaltendem Prozessgas ein zu beschichtendes Substrat einer Abtragsoberfläche eines Targets gegenüber angeordnet, das Beschichtungsmaterial des Targets zerstäubt und auf dem Substrat abgeschieden. Dazu wird zwischen dem zu beschichtenden Substrat und einer Kathode ein Plasma gezündet, dessen positive Ladungsträger durch den sogenannten Sputtereffekt (Abstäuben, d.h. durch Ionenbombardement induziertes Herausschlagen von Atomen aus der Festkörperoberfläche) die oberen Schichten einer Targetoberfläche abtragen. Es können, ohne oder mit Anwesenheit von Reaktivgas, die unterschiedlichsten Materialien gesputtert werden und in letzterem Fall z.B. als Oxid oder Nitrid auf einem der Abtragsoberfläche des Targets gegenüberliegendem Substrat abgeschieden werden. In vergleichbarer Weise ist es möglich auch Materialmischungen und -verbindungen als Targetmaterial einzusetzen und zu sputtern.
Wesentliche Qualitätsmerkmale der Sputterprozesse sind zum einen die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten und zum anderen die Effizienz des Verfahrens, die insbesondere mit der erzielbaren und beherrschbaren Sputterrate verknüpft ist.
In den letzten Jahren wurde für verschiedene Anwendung das so genannte Hochenergieimpuls-Magnetronsputtern eingesetzt. Dies ist ein Sputterverfahren mit gepulstem Energieeintrag in Form von Einzelpulsen hoher Leistungsdichte (On-Zeit), gefolgt von einer, relativ zur Pulsdauer, langen Off-Zeit. Die eingetragene Leistungsdichte am Target kann etwa um das 30-fache bis mehr als das 100-fache der beim herkömmlichen DC-Magnetronsputtern üblichen Werte erreichen. Mittels der sehr hohen Leistungsstromdichte im Puls, die gegenüber einer DC-Entladung um einen Faktor 100–500 größer ist, und Pulsdauern von kleiner 200 µs können Schichten mit besonders vorteilhaften mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften hergestellt werden.
Beim reaktiven Sputtern tritt das Problem auf, dass Arbeitspunkt und Sputterrate gleichzeitig eingestellt werden müssen bzw. konstant gehalten werden müssen. Die Rate wird in der Regel über die eingespeiste Leistung variiert. Zur Kontrolle des Arbeitspunktes gibt es verschiedene Ansätze. Diese sind auf eine Feedback-Regelung angewiesen, bei der eine arbeitspunktkontrollierende Größe durch eine Stellgröße verändert wird. Das kann beispielsweise geschehen durch das Messen des Sauerstoffpartialdrucks mit einer Lambda-Sonde und Nachführen der Leistung, bis ein bestimmter Sauerstoffpartialdruck erreicht ist; oder das Messen der Leistung und Nachführen des Sauerstoffflusses, bis eine gewünschte Leistung erreicht ist.
Die Verwendung einer Entladung mit Hochenergieimpulsen eröffnet neue Möglichkeiten in Bezug auf erreichbare Schichteigenschaften, aber es bleibt oben genanntes Problem. Das frei definierbare Einstellen eines Pulsmusters, auch zum Regeln des Arbeitspunktes beim reaktiven Sputtern, ist für gepulste herkömmliche Sputterverfahren aus der WO 2008/106956 bekannt.
Zur Arbeitspunktregelung werden eine Lambdasonde und als Regelgröße ein Signal der optischen Emissionsspektroskopie (OES-Signal) verwendet. Das OES-Signal, beispielsweise die Intensität einer Linie des Reaktivgases oder des Targetmaterials, wird dabei zeitintegriert gemessen, d.h. die Belichtungszeit ist viel größer als die Pulsdauer. Über das OES-Signal wird auf den Arbeitspunkt der Entladung geschlossen. Anhand dieses Signals wird die Pulsdauer der Hochenergiepulse bestimmt, die in Form von Einzelpulsen eingebracht werden.
Mit der Lambda-Sonde wird der Sauerstoffpartialdruck gemessen, ebenfalls zeitlich gemittelt, und es wird der Abstand der Pulse, d.h. die Pulsfrequenz geregelt, also die mittlere Entladungsleistung bestimmt. Dieses Vorgehen hat verschiedene Nachteile. Zum einen ist die Verwendung einer Lambda-Sonde auf bestimmte Reaktivgase beschränkt, zum anderen ist die Lambda-Sonde auch sehr empfindlich gegenüber Restgasanteilen. Des Weiteren ist bei der Verwendung von Einzelpulsen zu berücksichtigen, dass es während des Pulses zunächst zum Ansteigen des Entladungsstromes kommt, bis dieser nach einer gewissen Zeitdauer in die Sättigung geht. Bei kurzen Einzelpulsen kann die Variation der Pulsdauer daher mit einer deutlichen Variation des Maximalstromes einhergehen.
Das Hochenergieimpuls-Magnetronsputtern ist aufgrund der hohen Leistungsdichte, mit der die Magnetronentladung im Übergang zur Bogenentladung betrieben wird, durch einen hohen Ionisationsgrad und eine erhöhte Energie der schichtbildenden Teilchen gekennzeichnet, woraus sich die besonderen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten ableiten. In Abhängigkeit von den Entladungsparametern tritt bei Targets mit geringer Leitfähigkeit, z.B. bei Metalloxiden, oder bei Targets, die infolge reaktiven Sputterns mit Metalloxid belegt sind, das so genannte Arcing auf. Dabei handelt es sich um Oberflächenladungen auf der Targetoberfläche. z.B. zwischen einem metallischen Erosionsgraben und benachbarten, mit Metalloxid belegten, isolierten Arealen des Targets. Diese Entladungen stellen den Beschichtungsprozess erheblich störende Instabilitäten dar, die bis zu Durchschlägen auf die Anode oder die Kammerwände führen können.
Beim Hochenergieimpuls-Magnetronsputtern hat sich herausgestellt, dass sehr kurze Pulse das Arcing vermeiden helfen, da sich effektiv kein Arcstrom ausbilden kann. Kurze Pulse führen auch beim Magnetronsputtern vom Rohrtarget zum Ziel, trotz des notwendigerweise hohen Stromflusses durch den Targetendblock, der der Halterung, Medienversorgung und dem Rotationsantrieb des Rohrtargets dient. In der WO 2009/149888 werden Pulszeiten von deutlich kleiner 100 µs verwendet, um das Ansteigen des Entladungsstromes zu begrenzen und so das Arcing zu vermeiden. Eine solche Verfahrensführung begrenzt jedoch die Sputterrate.
Ziel der Erfindung ist es daher, den Entladungsprozess durch das Verhindern des Arcings zu stabilisieren und darüber hinaus die Regelung des Arbeitspunktes eines reaktiven gepulste Hochenergiesputter-Verfahrens so zu gestalten, dass auf eine Lambda-Sonde verzichtet werden kann und reproduzierbarer Maximalstrom der Entladung gewährleistet wird.
Zur effektiven Unterdrücken von Arcing und zur Einstellung des Arbeitspunktes beim gepulsten Hochenergiesputtern wird vorgeschlagen, ein Pulsmuster zu verwenden, das durch Pulspakete aus wenigstens zwei, besser aber mehreren, Teilpulsen gekennzeichnet ist. Ein Pulspaket weist dabei als Ganzes die oben beschriebenen grundlegenden Eigenschaften eines Einzelpulses des Hochenergieimpuls-Magnetronsputtern, insbesondere hinsichtlich der On- und Off-Zeiten und der Leistungsdichte auf, wobei die Teilpulse des Pulspaketes des erfindungsgemäßen gepulsten Hochenergiesputterns sowohl kürzere als auch längere On- als Off-Zeiten (1) aufweisen können.
Die Zerstückelung des Hochleistungspulses in zwei oder mehr Teilpulse bewirkt zum einen, dass die Dauer eines Pulspaketes trotz Arcing-Unterdrückung auch über 200µs liegen kann. Sie bewirkt darüber hinaus, dass die Regelung der Dauer der Einzelpulse für verschiedene weitere Effekte zur Verfügung steht.
Die Verwendung des Pulspaketes 2 führt zu einem mit jedem Teilpuls 1 ansteigenden Pulsstrom (1), aber trotzdem zu effektiver Arc-Unterdrückung.
Die Zerstückelung des Hochleistungspulses in zwei oder mehr Teilpulse 1 bewirkt darüber hinaus, dass die Regelung der Dauer der Einzelpulse 1 für verschiedene weitere Effekte zur Verfügung steht. Der zweite oder ein anderer, nach dem ersten Teilpuls 1 desselben Pulspakets 2 folgende Teilpuls 1 (als späterer Teilpuls 1 bezeichnet) ist entsprechend einer weiteren Ausgestaltung von solcher Dauer, dass sich in dessen Verlauf ein maximaler Pulsstrom einstellt (2). Der erste, kürzere Teilpuls 1 kann so dem Aktivieren des Reaktivgases und Oxidieren oder Nitrieren von Targetmaterial in der Targetumgebung, gegebenenfalls auch auf dem Substrat, und gegebenenfalls auch der Arc-Unterdrückung dienen. Der spätere, längere, und jeder weitere Teilpuls 1, bei dem auch der Strom bis zu einem höheren Wert ansteigen kann und immer in Sättigung geht, soll dann die erzeugte Targetstöchiometrie auf das Substrat sputtern. Die Kontrolle des Arbeitspunktes erfolgt in diesem Fall durch optische Emissionsspektroskopie, die für die beiden Teilpulse 1 einzeln durchgeführt wird. Dazu wird ein zeitauflösendes Spektrometer verwendet, das mit dem Pulsgenerator synchronisiert ist. Spektren werden also während des ersten bzw. zweiten Teilpulses 1 aufgenommen.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, wird über eine Vielzahl von Pulspaketen 2 gemittelt. Aus den während der unterschiedlichen Teilpulse 1 aufgenommenen Spektren werden jeweils durch Kombination verschiedener Emissionslinien die Kontrollgrößen abgeleitet. Damit wird der Reaktivgasfluss gestellt bzw. über die Länge des zweiten Teilpulses 1 die mittlere Sputterleistung nachgeführt.
Das erfindungsgemäße Sputterverfahren ist für die Verwendung von Targetrohren und gleichermaßen für planare Targets, entweder als Single- oder Multi-Target in einer Beschichtungsstation anwendbar. Die Pulspakete 2 werden jeweils auf ein Targetrohr gegeben.
Beim Sputtern eines keramischen Targets, z.B. ZnO:Al, wird von einem Pulspaket 2 mit den Teilpulse 1 20µm On-Zeit, gefolgt von 10µs Off-Zeit, gefolgt von 50µs On-Zeit, welche den späteren Teilpuls 1 startet, diese spätere On-Zeit variiert zur Maximierung des Pulsstromes aufgrund der Ergebnisse der Emissionsspektroskopie.
Bezugszeichenliste

1: Teilpuls
2: Pulspaket

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/106956 [0006]
WO 2009/149888 [0010]

Claims

Verfahren zur Abscheidung einer Schicht mittels Hochenergiesputtern, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bestandteil der Schicht mittels eines gepulsten Hochenergiesputterns zerstäubt und auf dem Substrat abgeschieden wird, welches ein Pulsmuster zum Betrieb zumindest eines Sputtermagnetrons verwendet, das aus Pulspaketen (2) mit zwei oder mehr Teilpulsen (1) gebildet wird, und bei dem aus dem optischen Emissionsspektrum während der verschiedenen Teilpulse (1) Informationen zum Einstellen des Arbeitspunktes einer Entladung gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Teilpulse (1) eines Pulspakets (2) variiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Teilpulse (1) eines Pulspakets (2) steigt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer eines Pulspakets (2) geringer ist als die Pulspause bis zum darauf folgenden Pulspaket (2).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulspaket (2) eine Pulsdauer von größer oder gleich 200µs aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gepulste Hochenergiesputtern reaktiv oder nichtreaktiv betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gepulste Hochenergiesputtern reaktiv betrieben wird, wobei ein späterer Teilpuls (1) nach dem ersten Teilpuls (1) eines Pulspakets (2) derart länger ist als der erste Teilpuls (1) dieses Pulspakets (2), dass sich in dessen Verlauf ein maximaler Pulsstrom einstellt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt mittels Emissionsspektroskopie kontrolliert und eingestellt wird, indem das Plasma zumindest zum späteren Teilpuls (1) synchronisiert und zeitaufgelöst gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der während beider Teilpulse (1) ermittelten Emissionslinien der Reaktivgasfluss gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Länge des späteren Teilpulses (1) die mittlere Sputterleistung nachgeführt wird.