DE102014207877A1

DE102014207877A1 - Verfahren und Vorrichtung zur geregelten, gepulsten ionisierten Beschichtung von Substraten in einer Beschichtungskammer

Info

Publication number: DE102014207877A1
Application number: DE102014207877.6A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bandorf; Holger Gerdes; Thomas Schütte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-11-19

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem eine geregelte, gepulste ionisierte Beschichtung von Substraten möglich ist. Das Verfahren umfasst die spektrometrische Messung der Emissionslinien von Ionen und Neutralteilchen des Targets zur Bestimmung des Ionisierungsgrades der Teilchen, wobei der Ionisierungsgrad zur Anpassung der Ladespannung, der Pausendauer zwischen den Pulsen und/oder der Pulsdauer einer Pulseinheit herangezogen wird, um eine gewünschte Schichtstruktur zu erhalten. Folglich kann während des Sputtervorgangs ein unmittelbarer Einfluss auf die gesputterten Schicht genommen werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung weist eine Beschichtungskammer mit Target, eine Pulseinheit und eine spektrometrische Einheit auf und ist strukturell so angepasst, dass in Anhängigkeit von der Messung der spektroskopischen Einheit der Ionisierungsgrad des Targets eingestellt werden kann.

Description

Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem eine geregelte, gepulste ionisierte Beschichtung von Substraten möglich ist. Das Verfahren umfasst die spektrometrische Messung der Emissionslinien von Ionen und Neutralteilchen des Targets zur Bestimmung des Ionisierungsgrades der Teilchen, wobei der Ionisierungsgrad zur Anpassung der Ladespannung, der Pausendauer zwischen den Pulsen und/oder der Pulsdauer einer Pulseinheit herangezogen wird, um eine gewünschte Schichtstruktur zu erhalten. Folglich kann während des Sputtervorgangs ein unmittelbarer Einfluss auf die gesputterten Schicht genommen werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung weist eine Beschichtungskammer mit Target, eine Pulseinheit und eine spektrometrische Einheit auf und ist strukturell so angepasst, dass in Anhängigkeit von der Messung der spektroskopischen Einheit der Ionisierungsgrad des Targets eingestellt werden kann.
In der Literatur finden sich zahlreiche Beispiele für die Bewertung des lonisierungsgrades bei ionisierten Sputterprozessen, wie beispielsweise HIPIMS. Alle bisherigen Messungen dienen der Identifikation von lonen und der Abschätzung des lonisierungsgrades. Mittels Optischer Emissionsspektroskopie (OES) ist es möglich in HIPIMS-Prozessen Informationen zur Ionisation zu erhalten. Die optische Emissionsspektroskopie wird bereits industriell für die Regelung von reaktiven Sputterprozessen eingesetzt.
Aktuelle Regelkonzepte kommen bei HIPIMS teilweise an ihre Grenzen, da die Entladung gepulst ist und Systeme, die länger integrieren hauptsachlich Untergrund (Rauschen) messen, da kein Plasma brennt. Ferner ist ein komplettes Spektrum erforderlich, um flexibel auf die gewünschten Emissionslinien von lonen zu regeln. Die typische Regelung auf die Schwächung der Metalllinie ist hier nicht zielführend, da die Schwächung der Intensität der Metalllinie bei reaktivem HIPIMS mit einer Zunahme der reaktiven Komponente und einer zusätzlichen Ionisation gekoppelt ist.
In der DE 10 2006 061 324 A1 wird offenbart, dass die optische Emission eines Plasmas prinzipiell zur Einstellung der Pulsfrequenz des Targets herangezogen werden kann.
In der WO 2010/012293 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas vorgestellt, das Teilchen mit einer definierten Verteilung an Ionisationsgraden enthält.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, das eine geregelte, gepulste ionisierte Beschichtung von Substraten in einer Beschichtungskammer ermöglicht, wobei der Ionisierungsgrad von Atomen des Targets gezielt während der Beschichtung angepasst und korrigiert werden kann. Ferner sollte eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die das erfindungsgemäße Verfahren implementiert.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, die Vorrichtung gemäß Anspruch 11 und die Verwendung gemäß Anspruch 15. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung einer gepulsten ionisierten Beschichtung von Substraten in einer Beschichtungskammer bereitgestellt, wobei die Beschichtungskammer mindestens ein Target und Prozessgas enthält, über eine Pulseinheit die Entladung gepulst wird, eine spektrometrische Messung der Emissionslinien der Ionen und Neutralteilchen des Targets in der Beschichtungskammer zur Bestimmung des Ionisierungsgrades durchgeführt wird und durch Anpassung der Ladespannung, Pausendauer zwischen den Pulsen und/oder Pulsdauer einer Pulseinheit der Ionisierungsgrad in Abhängigkeit von der gewünschten Schichtstruktur eingestellt wird.
Aus dem Vergleich von Emissionslinien von Neutralteilchen und lonen kann auf das lonen- zu Neutralteilchenverhältnis (Ionisierungsgrad) geschlossen werden. Erfindungsgemäß kann somit der Ionisationsgrad während des Verfahrens basierend auf den gemessenen Emissionsintensitäten eingestellt und auch korrigiert werden. Der Ionisierungsgrad ist maßgeblich mit der resultierenden Schichtstruktur korreliert, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, während des Verfahrens Einfluss auf die abgeschiedene Schichtstruktur zu nehmen.
In einer optionalen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Target und/oder das Prozessgas mehrere verschiedene Atomarten oder besteht daraus. In diesem Fall wird in dem Verfahren der Ionisierungsgrad von mindestens einer bestimmten Atomart des Targets und/oder des Prozessgases bestimmt.
Bevorzugt wird die spektrometrische Messung der Emissionslinien und Einstellung des Ionisierungsgrads kontinuierlich wiederholt und stellt somit einen rückgekoppelten Regelkreis dar. Die Messung kann hierbei in einer Frequenz, die der Frequenz von einem oder mehreren Puls(en) der Pulseinheit entspricht, wiederholt werden. Besonders bevorzugt ist eine Wiederholfrequenz von 0,1 bis 100 ms, insbesondere 1 bis 10 ms. Kleinere Frequenzen erzeugen hierbei eine größere Informationsrate des Ionisierungsgrades pro Zeiteinheit und erlauben daher eine präzisere Kontrolle der Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten.
Die spektrometrische Messung der Emissionslinien kann in der Nähe des Targets oder Substrats erfolgen. Bevorzugt findet sie in der Nähe des Substrats, optional in einer Entfernung von 1 bis 50 mm zum Substrat, statt. Besonders bevorzugt erfolgt die Messung in einer Entfernung von 2 bis 40 mm, insbesondere 5 bis 30 mm, zum Substrat. Der Vorteil an einer substratnahen Messung ist, dass die Beschaffenheit des tatsächlich auf dem Substrat abgeschiedenen Materials exakter erfasst werden kann. Zudem kann durch die Bestimmung in Substratnähe (in-situ-Bestimmung) die Beschaffenheit der tatsächlich abgeschiedenen Beschichtung unabhängiger von der Geometrie der Beschichtungskammer erfasst werden.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung herangezogenen Ionen können einfach, zweifach und/oder dreifach ionisiert sein, bevorzugt einfach, zweifach und/oder dreifach positiv geladen sein.
Die Ionen und/oder Neutralteilchen können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Ionen und/oder Neutralteilchen von Metallen, Halbmetallen und Kohlenstoff, bevorzugt Titan und/oder Chrom.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die Beschichtungskammer auch ein Reaktivgas, wobei es sich bei der gepulsten ionisierten Beschichtung dann um einen reaktiven Prozess handelt, bei dem zusätzlich eine spektrometrische Messung der Emissionslinien der Ionen und/oder Neutralteilchen des Reaktivgases zur Bestimmung des Reaktivgasanteils in der Beschichtungskammer durchgeführt wird und durch Anpassung von einem Reaktivgasstrom in die Beschichtungskammer die Stöchiometrie der Beschichtung eingestellt wird. Durch die kombinierte Erfassung von Reaktivgasemissionslinien, Neutrallinien und lonenlinien des Targetmaterials wird eine definierte Einstellung der Stöchiometrie und des lonisationsgrades ermöglicht. Somit kann ein gezielter Einfluss auf die Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht genommen werden.
Das Reaktivgas kann hierbei ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Gasen, die Stickstoff, Sauerstoff und/oder Kohlenstoff enthalten. Das Reaktivgas kann z.B. auch aus Stickstoff und/oder Sauerstoff bestehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich eine spektrometrische Messung der Emissionslinien von Ionen und/oder Neutralteilchen des Prozessgases durchgeführt, auf die anschließend die weiteren Emissionslinien der Ionen und/oder Neutralteilchen des Targetmaterials, und optional Reaktivgases, skaliert werden. Der Vorteil hierbei ist, dass das Verfahren unabhängig von der Geometrie der Beschichtungskammer wird d.h. dass sich einmal abgespeicherte Verfahrensparameter auch auf andere Beschichtungskammern d.h. andere Sputteranlagen übertragen lassen und dort die gleiche Zusammensetzung, Struktur und die gleichen Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht erhalten wird. Das Verfahren kann somit „normiert“ werden und in verschiedenen Anlagen eine Beschichtung mit vergleichbaren Eigenschaften bereitstellen.
Das verwendete Prozessgas kann ein Inertgas sein, bevorzugt enthält es ein Edelgas oder besteht daraus. Besonders bevorzugt enthält es oder besteht aus einem Gas, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus He, Ne, Ar, Xe, Kr und Mischungen hiervon.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zur geregelten, gepulsten ionisierten Beschichtung von Substraten bereitgestellt, enthaltend

a) eine Beschichtungskammer enthaltend mindestens ein Target und Prozessgas;
b) eine Pulseinheit zur Erzeugung von Ionen und Neutralteilchen des Targets in einem bestimmten Ionisierungsgrad; und
c) eine spektrometrische Einheit zur Messung von Emissionslinien von Ionen und Neutralteilchen in der Beschichtungskammer und zur Bestimmung des Ionisierungsgrads.

Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie so angepasst ist, dass in Anhängigkeit von der Messung der spektroskopischen Einheit eine Anpassung der Ladespannung, Pausendauer zwischen den Pulsen und/oder Pulsdauer der Pulseinheit erfolgt und dadurch der Ionisierungsgrad eingestellt wird.
Bevorzugt enthält die Vorrichtung auch einen Reaktivgasquelle zur Leitung eines Reaktivgases in die Beschichtungskammer, wobei die Vorrichtung so angepasst ist, dass in Abhängigkeit von der Messung der spektrometrischen Einheit eine Anpassung des Reaktivgasstroms erfolgt und dadurch die Stöchiometrie der Beschichtung eingestellt wird.
Die spektrometrische Einheit ist bevorzugt zur Messung der Emissionslinien von Ionen und Neutralteilchen des Targets und/oder Prozessgases, und optional des Reaktivgases, konfiguriert.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst.
Es wird zudem die Verwendung der optischen Emissionsspektroskopie bei einem gepulsten, ionisierten Beschichtungsprozess von Substraten vorgeschlagen, wobei die optische Emissionsspektroskopie zur Detektion und Regelung des quantitativen Verhältnisses von

i) verschiedenen Elementen zueinander; und/oder
ii) ionisierter Teilchen zu ungeladenen Teilchen; herangezogen wird, um einen Prozesstransfer und/oder die Abscheidung von vergleichbaren Schichten auf beliebigen Beschichtungsanlagen zu ermöglichen.

Anhand des nachfolgenden Beispiels und der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Anordnung für eine reaktive Prozesskontrolle.
2 zeigt ein OES-Spektrum von Chrom für einen DC-Prozess.
3 zeigt ein OES-Spektrum von Chrom für ein HIPIMS-Prozess.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung für eine reaktive Prozesskontrolle dargestellt, bei der zum einen eine Erfassung eines Emissionsspektrums parallel zum Target 1 durch das Spektrometer 2 und eine Erfassung des Emissionsspektrums senkrecht zum Target 1 durch das Spektrometer 3 erfolgt.
Beispiel
Für die Regelung der Prozesse bezüglich Ionisation und Stöchiometrie wurde eine Faseroptik verwendet, die entweder parallel zum Target (i) oder auf das Target (ii) integral ein Emissionsspektrum erfasst (s. 1). Im Gegensatz zu anderen Regelkonzepten für reaktive Prozesse ohne Berücksichtigung der Ionisation, ist für das beschriebene Verfahren ein Spektrometer erforderlich, dass das gesamte Emissionsspektrum erfassen kann.
Durch die Erfassung des gesamten Spektrums lassen sich nun verschiedene Emissionslinien (Neutral, Ionen) von Gas und Targetmaterial identifizieren, die als Regelgröße dienen können. Während im konventionellen DC-Fall nahezu ausschließlich Emissionslinien von Neutralteilchen existieren treten bei z. B. HIPIMS-Prozessen auch Ionenlinien (durchaus auch von höher ionisierten Teilchen) auf (s. 2 und 3). Aus den Spektren lassen sich nun einzelne Linien identifizieren, die für eine Regelung als Regelgröße dienen. Es wird dabei entweder auf die Schwächung der Intensität einer Linie oder auf die Steigerung der Intensität geregelt; im Allgemeinen auf einen zuvor definierten Intensitätswert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006061324 A1 [0004]
WO 2010/012293 [0005]

Claims

Verfahren zur Regelung einer gepulsten ionisierten Beschichtung von Substraten in einer Beschichtungskammer, wobei die Beschichtungkammer mindestens ein Target und Prozessgas enthält, über eine Pulseinheit die Entladung gepulst wird, eine spektrometrische Messung der Emissionslinien der Ionen und Neutralteilchen des Targets in der Beschichtungskammer zur Bestimmung des Ionisierungsgrades durchgeführt wird und durch Anpassung der Ladespannung, Pausendauer zwischen den Pulsen und/oder Pulsdauer einer Pulseinheit der Ionisierungsgrad in Abhängigkeit von der gewünschten Schichtstruktur eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall von einem Target und/oder Prozessgas, das mehrere verschiedene Atomarten enthält oder daraus besteht, der Ionisierungsgrad von mindestens einer bestimmten Atomart des Targets und/oder Prozessgases bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrometrische Messung der Emissionslinien und Einstellung des Ionisierungsgrads kontinuierlich wiederholt wird und somit einen rückgekoppelten Regelkreis darstellt, wobei die Messung bevorzugt in einer Frequenz wiederholt wird, die der Frequenz von einem oder mehreren Puls(en) der Pulseinheit entspricht, besonders bevorzugt in einer Frequenz von 0,1 bis 100 ms, insbesondere 1 bis 10 ms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrometrische Messung der Emissionslinien in der Nähe des Targets oder Substrats, bevorzugt in der Nähe des Substrats, optional in einer Entfernung von 1 bis 50 mm, bevorzugt 2 bis 40 mm, insbesondere 5 bis 30 mm, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen einfach, zweifach und/oder dreifach ionisiert sind, bevorzugt einfach, zweifach und/oder dreifach positiv geladen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen und/oder Neutralteilchen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ionen und/oder Neutralteilchen von Metallen, Halbmetallen und Kohlenstoff, bevorzugt Titan und/oder Chrom.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer auch ein Reaktivgas enthält und es sich bei der gepulsten ionisierten Beschichtung um einen reaktiven Prozess handelt, bei dem zusätzlich eine spektrometrische Messung der Emissionslinien der Ionen und/oder Neutralteilchen des Reaktivgases zur Bestimmung des Reaktivgasanteils in der Beschichtungskammer durchgeführt wird und durch Anpassung von einem Reaktivgasstrom in die Beschichtungskammer die Stöchiometrie der Beschichtung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktivgas ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gasen, die Stickstoff, Sauerstoff und/oder Kohlenstoff enthalten oder aus Stickstoff und/oder Sauerstoff bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche spektrometrische Messung der Emissionslinien von Ionen und/oder Neutralteilchen des Prozessgases durchgeführt wird, auf die anschließend die weiteren Emissionslinien der Ionen und/oder Neutralteilchen des Targetmaterials, und optional Reaktivgases, skaliert werden, so dass das Verfahren unabhängig von der Geometrie der Beschichtungskammer ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein Inertgas ist, bevorzugt ein Edelgas enthält oder daraus besteht, besonders bevorzugt ein Gas ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus He, Ne, Ar, Xe, Kr und Mischungen hiervon, enthält oder daraus besteht.
Vorrichtung zur geregelten, gepulsten ionisierten Beschichtung von Substraten, enthaltend a) eine Beschichtungskammer enthaltend mindestens ein Target und Prozessgas; b) eine Pulseinheit zur Erzeugung von Ionen und Neutralteilchen des Targets in einem bestimmten Ionisierungsgrad; und c) eine spektrometrische Einheit zur Messung von Emissionslinien von Ionen und Neutralteilchen in der Beschichtungskammer und zur Bestimmung des Ionisierungsgrads; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so angepasst ist, dass in Anhängigkeit von der Messung der spektroskopischen Einheit eine Anpassung der Ladespannung, Pausendauer zwischen den Pulsen und/oder Pulsdauer der Pulseinheit erfolgt und dadurch der Ionisierungsgrad eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen Reaktivgasquelle zur Leitung eines Reaktivgases in die Beschichtungskammer enthält, wobei die Vorrichtung so angepasst ist, dass in Abhängigkeit von der Messung der spektrometrischen Einheit eine Anpassung des Reaktivgasstroms erfolgt und dadurch die Stöchiometrie der Beschichtung eingestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrometrische Einheit zur Messung der Emissionslinien von Ionen und Neutralteilchen des Targets und/oder Prozessgases, und optional des Reaktivgases, konfiguriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angepasst ist.
Verwendung der optischen Emissionsspektroskopie bei einem gepulsten, ionisierten Beschichtungsprozess von Substraten, wobei die optische Emissionsspektroskopie zur Detektion und Regelung des quantitativen Verhältnisses von i) verschiedenen Elementen zueinander; und/oder ii) ionisierter Teilchen zu ungeladenen Teilchen; herangezogen wird, um einen Prozesstransfer und/oder die Abscheidung von vergleichbaren Schichten auf beliebigen Beschichtungsanlagen zu ermöglichen.