DE102019200761A1

DE102019200761A1 - Verfahren zur Kompensation von Prozessschwankungen eines Plasmaprozesses und Regler für einen Leistungsgenerator zur Versorgung eines Plasmaprozesses

Info

Publication number: DE102019200761A1
Application number: DE102019200761.9A
Authority: DE
Inventors: Moritz Heintze; Jan Peter Engelstädter; Krzysztof Ruda
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2020-07-23
Also published as: WO2020152097A1

Abstract

Ein Verfahren zur Kompensation von Prozessschwankungen eines Plasmaprozesses, der von einem Leistungsgenerator (2) mit Leistung versorgt wird, umfasst die Verfahrensschritte:a. Vorgabe einer Sollleistung Pfür den Plasmaprozess;b. Erfassen oder Vorgabe zumindest einer Prozessgröße;c. Erzeugen einer in vorgegebenen Grenzen um Pvariierenden Leistung P in Abhängigkeit von der zumindest einen Prozessgröße.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Prozessschwankungen eines Plasmaprozesses, der von einem Leistungsgenerator mit Leistung versorgt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Regelanordnung für einen Leistungsgenerator zur Versorgung eines Plasmaprozesses.
Plasmaprozesse werden beispielsweise eingesetzt zur Behandlung von Substraten, insbesondere zur Beschichtung von großen Substraten in einer Durchlaufbeschichtungsanlage z.B. mittels Sputtern, insbesondere Magnetron-Sputtern. Hierbei kann das Problem von Längsinhomogenitäten auftreten. Ursache können zeitliche Schwankungen in den Prozessbedingungen sein. Sie können beispielsweise durch unrunde Rohrtargets und Lücken zwischen den Substraten entstehen. Durch die kontinuierliche Substratbewegung können sie zu örtlichen Dickeschwankungen bei der Beschichtung in Durchlaufrichtung führen.
Ein Leistungsgenerator im Sinne dieser Erfindung ist eine elektrische Leistungsversorgungs-Vorrichtung oder Leistungswandler-Vorrichtung, also eine Vorrichtung, die Gleich- oder Wechselspannung für den Plasmaprozess zur Verfügung stellen kann. Die Wechselspannung kann bei niedrigen Frequenzen bis zu einigen kHz, bei Mittelfrequenz (MF) von 10 kHz bis 1 MHz, bei Hochrequenzen (HF) größer gleich 1 MHz, insbesondere auch bei VHF größer 30 MHz oder auch im Mikrowellenbereich, liegen.
Die Leistungsgeneratoren zur Versorgung eines Beschichtungsprozesses sind häufig mit einer schnellen Regelung auf eine konstante Ausgangsleistung ausgestattet. Grundsätzlich ist damit eine konstante Sputterrate und Schichtdicke in einem Durchlaufbeschichter gewährleistet. Ausnahmen können auftreten, wenn die Prozessbedingungen, beispielsweise das Plasmavolumen und damit die Plasmadichte, die Zufuhr oder der Verbrauch von Reaktivgas, schwanken, weil die verwendeten Rohrmagnetrons unrund sind und dadurch die Magnetfeldstärke an der Targetoberfläche durch die Targetrotation zeitlich schwankt. Eine weitere Ursache können die Lücken von einigen Zentimetern zwischen den Substraten sein, welche die Gaszufuhr und damit die Bedeckung der Targetoberfläche mit Sauerstoff oder Stickstoff beeinflussen.
Aufgabe der folgenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Schwankungen in der Sputterrate ausgeglichen, d.h. kompensiert, werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Kompensation von Prozessschwankungen eines Plasmaprozesses, der von einem Leistungsgenerator mit Leistung versorgt wird, mit den Verfahrensschritten:

a. Vorgabe einer Soll-Leistung P_soll für den Plasmaprozess;
b. Erfassen oder Vorgabe zumindest einer Prozessgröße;
c. Erzeugen einer in vorgegebenen Grenzen um P_soll variierenden Leistung P in Abhängigkeit von der zumindest einen Prozessgröße.

Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, dass die üblicherweise konstante Ausgangsleistung um einen Sollwert herum modelliert wird, um dadurch die Beschichtungsrate konstant zu halten. Schichtdickeschwankungen sollen dadurch ausgeglichen werden. Insbesondere kann, um Schwankungen in der Sputterrate auszugleichen, durch eine geeignete zusätzliche Regelschleife die Ausgangsleistung um den eigentlichen Sollwert herum in begrenztem Umfang variiert werden.
Mit Kompensation kann dabei insbesondere gemeint sein, die Beschichtungsrate auf einem Substrat innerhalb vorgegebener Grenzen konstant zu halten. Mit Kompensation kann insbesondere aber auch gemeint sein, die Abtragungsrate im Plasmaprozess über die Zeit innerhalb vorgegebener Grenzen konstant zu halten.
Die im Schritt c. erzeugte Leistung P kann 0,9 × P_soll ≤ P ≤ 1,1× P_soll betragen, insbesondere 0,95 × P_soll ≤ P ≤ 1,05 × P_soll, bevorzugt 0,98 × P_soll ≤ P ≤ 1,02 × P_soll betragen.
Der Schritt c. kann für eine vorgegebene Zeitspanne durchgeführt werden und anschließend kann die Leistung P auf P_soll geregelt werden. Dabei kann die maximale Abweichung der Ausgangsleistung vom Sollwert, also von P_soll, durch geeignete Parameter frei wählbar sein.
Eine Regelverstärkung und/oder eine Regelgeschwindigkeit für Schritt c. kann vorgegeben oder eingestellt werden. Insbesondere kann die Regelgeschwindigkeit niedriger sein als die Regelgeschwindigkeit für P_soll. Dies insbesondere deshalb, da sich die Störgrößen verhältnismäßig langsam ändern. Da der Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung, Plasmaimpedanz und Sputterrate unterschiedlich ist, je nachdem, ob die Ursache die Targetrotation oder Lücken zwischen den Substraten ist, kann die Erfindung so ausgeführt werden, dass zwischen diesen beiden und weiteren Ursachen für Prozessschwankungen unterschieden werden kann. Die Regelung kann diese unterschiedlichen Ursachen unabhängig voneinander ausgleichen. Somit können die unterschiedlichen Störgrößen in die Modulation der Ausgangsleistung eingehen.
Der Schritt c. kann bei Eintritt eines vorgegebenen Ereignisses durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Modulation, d.h. die Variation der Leistung P um P _Soll, dann durchgeführt werden, wenn eine vorgegebene Prozessgröße einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreitet.
Als Prozessgröße kann die Plasmaimpedanz, ein Ausgangsstrom des Leistungsgenerators, eine Ausgangsspannung des Leistungsgenerators, die Rotationsgeschwindigkeit eines Targets, die Rotationsposition eines Targets und/oder der Abstand benachbarter zu beschichtender Substrate erfasst werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Rotationsposition eines Targets oder die Plasmaimpedanz erfasst werden. Eine besonders zuverlässige Größe, um Änderungen in Prozessbedingungen zu erfassen, ist die Erfassung der Plasmaimpedanz.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass als Prozessgröße die Rotationsgeschwindigkeit des Targets, die Rotationsposition des Targets und/oder der Abstand benachbarter Substrate vorgegeben wird.
Besondere Vorteile des Verfahrens ergeben sich, wenn der Plasmaprozess in einer Durchlaufbeschichtungsanlage durchgeführt wird, da es in solchen Anlagen besonders häufig zu Änderungen der Sputterrate kommt.
In einer Lernphase kann aus erfassten und/oder vorgegebenen Prozessgrößen ein Leistungsprofil erstellt werden, das für Schritt c. berücksichtigt wird. Insbesondere kann ein Regler in einer Lernphase aus dem zeitlichem Verlauf von Ausgangsstrom und Ausgangsspannung die Targetdrehzahl oder die Frequenz (zeitliche Abfolge) von Substraten und damit den Abstand benachbarter Substrate erkennen und ein optimales Leistungsprofil fahren, um den Einfluss dieser Störgrößen auf die Beschichtungsrate optimal auszugleichen.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Regelanordnung für einen Leistungsgenerator zur Versorgung eines Plasmaprozesses mit einem Eingang zur Vorgabe einer Soll-Leistung P_soll, einem Eingang für eine Prozessgröße und einem Ausgang zur Ausgabe einer Stellgröße, wobei die Regelanordnung eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Prozessgröße die Stellgröße derart zu erzeugen, dass durch den Leistungsgenerator eine um die Sollleistung P_soll in vorgegebenen Grenzen variierende Leistung erzeugt wird. Durch eine solche Regelanordnung kann die Leistung um eine Sollgröße variiert, d.h. moduliert werden, so dass Schwankungen in der Beschichtungsrate oder Sputterrate ausgeglichen werden können und diese insbesondere konstant gehalten werden kann. Durch die Regelanordnung kann insbesondere eine Modulation der Leistung einer Regelung auf die Sollleistung überlagert werden.
Die Regelanordnung kann eingerichtet sein, in einem vorgegebenen Betriebszustand die Stellgröße derart zu erzeugen, dass durch den Leistungsgenerator die Sollleistung erzeugt wird.
Die Ausgangsleistung des Leistungsgenerators kann durch die Regelanordnung geregelt werden, insbesondere dann, wenn keine Kompensation der Beschichtungsrate notwendig ist.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Computerprogrammprodukt zur Kompensation von Prozessschwankungen eines Plasmaprozesses, wobei das Computerprogrammprodukt wenigstens ein nicht flüchtiges computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeichertem Programmcode umfasst, wobei der Programmcode umfasst:

- einen Programmcode zum Empfang einer Sollleistung P_soll;
- einen Programmcode zum Empfang zumindest einer Prozessgröße;
- einen Programmcode zur Ermittlung einer in vorgegebenen Grenzen um die Sollleistung P_soll variierenden Leistung P in Abhängigkeit von der zumindest einen Prozessgröße.

Außerdem fällt in den Rahmen der Erfindung die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Regelanordnung oder des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts zur Beschichtung von Substraten mit einer konstanten Beschichtungsrate bei Prozessschwankungen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reglers;
2 ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen VerfahRens;
3a ein Diagramm mit dem beispielhaften Verlauf der Leistung und Impedanz gemäß dem Stand der Technik;
3b ein Diagramm mit dem beispielhaften Verlauf des Stroms und der Spannung gemäß dem Stand der Technik;
4a ein Diagramm mit dem beispielhaften Verlauf der Leistung und Impedanz gemäß der Erfindung;
4b ein Diagramm mit dem beispielhaften Verlauf des Stroms und der Spannung gemäß der Erfindung.

Die 1 zeigt eine Regelanordnung 1 für einen Leistungsgenerator 2, der in diesem Fall eine Regelstrecke darstellt.
Die Regelanordnung 1 weist einen Eingang 3 zur Vorgabe einer Sollleistung P_Soll auf, sowie einen Eingang 4 für eine Prozessgröße. Am Ausgang 5 wird eine Stellgröße ausgegeben und an den Leistungsgenerator 2 übergeben. Bei einer herkömmlichen Regelanordnung 1 wird die am Eingang 3 eingegebene Sollleistung P_Soll in einem Vergleicher 6 mit einer Istgröße verglichen und dadurch eine Regelabweichung erzeugt. Die Regelabweichung wird einem Regler 7, beispielsweise einem PID-Regler, zugeführt, der dann eine Stellgröße ermittelt, die am Ausgang 5 ausgegeben und dem Leistungsgenerator 2 übergeben wird. Am Ausgang 10 des Leistungsgenerators 2 bzw. der Regelstrecke wird eine Istgröße P_ist erfasst. Dies geschieht beispielsweise durch eine Messeinrichtung 11. Der Messeinrichtung 11 können beispielsweise Strom I(t) und Spannung U(t), die am Ausgang 10 des Leistungsgenerators 2 als Istgrößen anliegen, übergeben werden. Durch die Messeinrichtung 11 kann aus den Istgrößen I(t), U(t) eine Istleistung P_ist ermittelt werden, die dem Vergleicher 6 zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Messeinrichtung 11 eine Prozessgröße ermittelt. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um die Impedanz des Plasmas handeln. Insbesondere können zur Ermittlung der Impedanz die am Ausgang des Leistungsgenerators 2 erfassten Strom und Spannung berücksichtigt werden. Es ist auch denkbar, dass durch die Messeinrichtung 11 eine andere Prozessgröße des Plasmaprozesses ermittelt wird. Die Prozessgröße kann zunächst einem Filter 12, beispielsweise einem Bandpassfilter, zugeführt werden. Dem Filter 12 schließt sich eine Kompensationseinrichtung 13 an, durch die in Abhängigkeit der erfassten Prozessgröße eine Größe ΔP_Soll ermittelt, die einem Addierer 14 zugeführt wird. Dabei kann ΔP_Soll positives oder negatives Vorzeichen haben. Der Kompensationseinrichtung 13 kann eine Ereignisvariable zugeführt werden. Wenn demnach kein vorgegebenes Ereignis vorliegt, kann der Ausgang der Kompensationseinrichtung 13 gleich Null sein, so dass keine um die Leistung P_Soll variierende Leistung eingestellt wird. Wenn dagegen ein vorgegebenes Ereignis eintritt und die Ereignisvariable einen entsprechenden Wert einnimmt, kann ein ΔP_Soll erzeugt werden, welches durch den Addierer 14 der Leistung P_Soll hinzuaddiert oder von dieser abgezogen wird. Der Ausgang des Addierers 14 wird dann dem Vergleicher 6 zugeführt, durch den eine von P_Soll abweichende Leistung ΔP ermittelt und dem Regler 7 zugeführt wird. Die am Ausgang 5 ausgegebene Stellgröße wird daher so erzeugt, dass durch den Generator 2 eine um den Wert P_Soll variierende Leistung eingestellt wird.
In der 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt. Im Schritt 101 wird eine Sollleistung P_Soll für einen Plasmaprozess vorgegeben. Im Schritt 101 wird eine Prozessgröße erfasst oder vorgegeben. Im Schritt 102 wird eine um P_Soll variierende Leistung P in Abhängigkeit von der zumindest einen Prozessgröße erzeugt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schritt 102 nur durchgeführt wird, wenn ein vorgegebenes Ereignis eingetreten ist, beispielsweise eine Variation der Schichtdicke, festgestellt wurde.
In 3a ist beispielhaft der Verlauf der Leistung (durchgezogene Linie) und Impedanz (gestrichelte Linie) bei einem Plasmaprozess, insbesondere bei einem Beschichtungsprozess, nach dem Stand der Technik gezeigt. Der Leistungsgenerator regelt hier auf eine konstante Ausgangsleistung von 10 kW.
Im vorliegenden Beispiel schwankt jedoch die Impedanz zwischen 9,9 Ω und 9,945 Ω. Die Ursache könnten unrunde Rohrmagnetrons sein. Bei unrunden Rohrmagnetrons schwankt die Magnetfeldstärke an der Targetoberfläche zeitlich aufgrund der Targetrotation. Die Schwankung erfolgt im Beispiel mit einer Periodendauer von ca. 6 s.
In 3b sind die zur 3a gehörigen Verläufe von Strom (durchgezogene Linie) und Spannung (gepunktete Linie) gezeigt. Spannung und Strom verlaufen so gegenphasig, dass die Leistung konstant bleibt, obwohl sich die Impedanz ändert.
In 4a ist beispielhaft der Verlauf der Leistung und Impedanz (Plasmaimpedanz) bei einem Plasmaprozess, insbesondere bei einem Beschichtungsprozess, gemäß der Erfindung gezeigt.
Auch hier ändert sich die Plasmaimpedanz z.B. mit der Rotation des Targets. Die Leistung wird hier aber in Abhängigkeit der Prozessgröße: ,Plasmaimpedanz‘ nachgeführt. Da sich die Leistung nun mit der (Plasma-)Impedanz ändert, ändern sich Strom und Spannung nun gleichphasig, wie das in 4b gezeigt ist.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Prozessschwankungen eines Plasmaprozesses, der von einem Leistungsgenerator (2) mit Leistung versorgt wird, mit den Verfahrensschritten: a. Vorgabe einer Sollleistung P_soll für den Plasmaprozess; b. Erfassen oder Vorgabe zumindest einer Prozessgröße; c. Erzeugen einer in vorgegebenen Grenzen um P_soll variierenden Leistung P in Abhängigkeit von der zumindest einen Prozessgröße.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt 1.c. erzeugte Leistung P 0,9× P_soll ≤ P ≤1,1× P_soll insbesondere 0,95 × P_soll ≤ P ≤ 1,05 × P_soll, bevorzugt 0,98 × P_soll ≤ P ≤ 1,02 × P_soll beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt 1.c. für eine vorgegebenen Zeitspanne durchgeführt wird und anschließend die Leistung P auf P_soll geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelverstärkung und/oder eine Regelgeschwindigkeit für Schritt 1.c. vorgegeben oder eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt 1.c. bei Eintritt eines vorgegebenen Ereignisses durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße die Plasmaimpedanz, ein Ausgangsstrom des Leistungsgenerators, eine Ausgangsspannung des Leistungsgenerators, die die Rotationsposition eines Targets, die Rotationsgeschwindigkeit eines Targets und/oder der Abstand benachbarter zu beschichtender Substrate erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgröße die Rotationsgeschwindigkeit des Targets, die Rotationsposition des Targets und/oder der Abstand benachbarter Substrate vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaprozess in einer Durchlaufbeschichtungsanlage durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Lernphase aus erfassten und/oder vorgegebenen Prozessgrößen ein Leistungsprofil erstellt wird, das für Schritt 1.c. berücksichtigt wird.
Regelanordnung (1) für einen Leistungsgenerator (2) zur Versorgung eines Plasmaprozesses mit einem Eingang (3) zur Vorgabe einer Sollleistung P_soll, einem Eingang (4) für eine Prozessgröße und einem Ausgang (5) zur Ausgabe einer Stellgröße, wobei die Regelanordnung eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Prozessgröße die Stellgröße derart zu erzeugen, dass durch den Leistungsgenerator (2) eine um die Sollleistung P_soll in vorgegebenen Grenzen variierende Leistung erzeugt wird.
Regelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung (1) eingerichtet ist, in einem vorgegebenen Betriebszustand, die Stellgröße derart zu erzeugen, dass durch den Leistungsgenerator (2) die Sollleistung erzeugt wird.
Leistungsgenerator (2) mit einer Regelanordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Ausgangsleistung des Leistungsgenerators (2) durch die Regelanordnung (1) geregelt wird.
Computerprogrammprodukt zur Kompensation von Prozessschwankungen eines Plasmaprozesses, wobei das Computerprogrammprodukt wenigstens ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeichertem Programmcode umfasst, wobei der Programmcode umfasst: einen Programmcode zum Empfang einer Sollleistung P_soll; einen Programmcode zum Empfang zumindest einer Prozessgröße; einen Programmcode zur Ermittlung einer in vorgegebenen Grenzen um die Sollleistung P_soll variierenden Leistung P in Abhängigkeit von der zumindest einen Prozessgröße.
Nutzung des Verfahrens, der Regelanordnung (1), des Leistungsgenerators (2) oder Computerprogrammprodukts nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Beschichtung von Substraten mit einer konstanten Beschichtungsrate bei Prozessschwankungen.