DE112006003188B4

DE112006003188B4 - Verfahren und Anordnung zum Redundanten Anoden-Sputtern

Info

Publication number: DE112006003188B4
Application number: DE112006003188T
Authority: DE
Inventors: Götz Teschner; Dr. Milde Falk; Enno Mirring; Frank Meissner; Götz Großer
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: DE112006003188A5; US9117637B2; KR20080072037A; WO2007051461A1; KR101089427B1; CN101300658A; CN101300658B; US20110180390A1; US20080308410A1

Abstract

Verfahren zum Beschichten eines Substrats unter Einsatz des redundanten Anoden-Sputterns von einem Target auf einer als Magnetron ausgebildeten Kathode, bei dem die Kathode mit negativem Kathodenpotenzial versorgt wird und neben der Kathode zwei Elektroden wechselweise mit positivem Potenzial oder mit negativem Potenzial beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Potenzial mit einer Höhe erzeugt wird, die höchstens gleich der Höhe des Kathodenpotenziales ist, wobei eine Versorgungsspannung erzeugt wird, aus der das Kathodenpotenzial galvanisch nicht getrennt als Gleichspannung erzeugt wird, wobei aus dieser Versorgungsspannung jeweils eine Elektrode mit dem negativem Potenzial und die jeweils andere Elektrode mit dem positiven Potenzial beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats unter Einsatz des redundanten Anoden-Sputterns von einem Target auf einer als Magnetron ausgebildeten Kathode, bei dem die Kathode mit negativem Kathodenpotenzial versorgt wird und neben der Kathode zwei Elektroden wechselweise mit positivem Potenzial (Anodenpotenzial) oder mit negativem Potenzial beaufschlagt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zum Beschichten eines Substrats unter Einsatz des redundanten Anoden-Sputterns mit einer Vakuumkammer, einer Magnetron-Kathode, zwei Elektroden und einer Spannungsquelle.
In der Vakuumbeschichtungstechnik für optische Anwendungen werden transparente Oxidschichten gefordert. Diese Schichten werden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik je nach Material mit Gleichstromverfahren oder mit Wechselstromverfahren hergestellt.
Dazu werden Magnetronkathoden, planar oder zylindrisch, mit dem abzuscheidenden Material bestückt und entweder in reiner Argon-Atmosphäre oder in reaktiver Atmosphäre in einem Kathodenzerstäubungs-Prozess (Sputterprozess) betrieben.
Das Hauptproblem eines Sputterprozesses für Oxide oder Nitride besteht darin, dass außer den Substraten leider auch alle weiteren Flächen im Beschichtungbereich mit schlecht leitfähigem Material beschichtet werden. Diese Beschichtung erfolgt auch auf den Anoden, die beim Sputterprozess benutzt werden. Diese Beschichtung der Anoden mit schlecht oder nicht leitfähigem Material behindert den Stromfluss und kann ihn im Extremfall sogar ganz unterbinden.
Außerhalb des Vakuums kann man diese Beschichtung mit schlecht leitendem Material durch einen Anstieg der Anodenspannung mit der Zeit erkennen. Dieser zusätzliche Spannungsabfall verursacht einen Leistungsverlust und führt zu Instabilitäten im Beschichtungsprozess.
Bei höheren Anforderungen an die Schichtdickengleichmäßigkeit auf dem zu beschichtenden Substrat stellte es sich heraus, dass die mit Material bedeckte Anode zu Schichtdickenungleichmäßigkeiten führt. Die Ursache dafür ist, dass die Anode ungleichmäßig von dem isolierenden Material bedeckt wird, sodass der Stromfluss zu bestimmten Zonen der Anoden bevorzugt erfolgt. Dieser ungleichmäßige Stromfluss über die Länge der Anoden spiegelt sich in der Plasmaverteilung der Sputterkathode wider und das Plasma konzentriert sich dann auf die noch am besten leitfähigen Bereiche.
Zusätzlich ist diese Stromverteilung zeitlich nicht konstant, so dass sich die Schichtdickenverteilung mit der Zeit ändert.
Um eine stabile Stromverteilung auf den Anoden zu sichern, sind diverse Versuche unternommen worden, z. B. EP 0 632 142 A1 , WO 92/09718 A1 , letztendlich nicht mit durchschlagendem Erfolg.
Einen Ausweg aus diesen Problemen stellt die Doppel-Magnetron-Anordnung dar, bei der die Entladung mit Wechselstrom zwischen zwei identischen Magnetrons betrieben wird. Beide Targets werden im Wechsel als Anode und als Kathode betrieben. In der Kathodenphase wird die Oberfläche von den Rückbeschichtungen aus der Anodenphase gereinigt, so dass die Entladung immer eine unbeschichtete Anode vorfindet. Damit ist das Problem der beschichteten Anode für diese Anordnung gelöst. Allerdings sind im Wechsel betriebene Doppelmagnetrons neben erhöhtem Aufwand auch mit technologischen Nachteilen verbunden.
Wenn ein Magnetron als Anode betrieben wird, ist die Anodenspannung höher als bei einer Anode ohne Magnetsystem. Die Elektronen der Entladung werden durch das Magnetsystem beim Eindringen in die Targetoberfläche behindert. Diese Behinderung durch das Magnetfeld wirkt sich auf die Stromverteilung in der Entladung aus. Es entsteht eine stationäre Inhomogenität in der Entladung, die in der Literatur als ”Cross Corner Effect” bezeichnet wird.
Durch das Doppelmagnetron ist zwar die zeitliche Stabilität wesentlich verbessert worden, die örtliche Schichtdickengleichmäßigkeit ist aber gegenüber einem Einzelmagnetron verschlechtert worden.
Dieser Nachteil lässt sich mit einer RAS-Schaltung, wie in den Patenten US 5 897 753A A und und US 6 183 605 B1 beschrieben, beseitigen. RAS bedeutet Redundant Anode Sputtering, d. h. Kathodenzerstäubung mit einer zusätzlichen Anode.
Hierzu wird die in 1 (Stand der Technik) skizzierte Schaltung verwendet, bei der das Magnetron mit der Mittelanzapfung und die Elektroden mit jeweils einem der äußeren Anschlüsse der sekundären Spule eines Transformators verbunden sind, und dessen primäre Spule von dem Mittelfrequenzgenerator Vmf gespeist wird.
Das Magnetron bleibt immer negativ und die zwei Elektroden wechseln die Polarität.
Während eine erste Elektrode als ”richtige” Anode in der Entladung wirkt, d. h., gegenüber dem Vakuumbehälter eine positive Spannung annimmt, wird die zweite Elektrode auf Grund des Trafogesetzes die doppelte Spannung des Magnetrons haben und damit stark negativ sein. Diese zweite Elektrode zieht damit aus der Magnetronentladung positive Ionen heraus, die zum Ionenbeschuss auf der zweiten Elektrode führen. Die Elektrode wird damit ionengeätzt.
In der nächsten Halbwelle werden die Elektroden umgepolt, so dass der Entladung nun eine gereinigte Anode zur Verfügung steht.
Problematisch ist hier, dass wegen des verwendeten Transformators die Spannung an der negativen Elektrode fest vorgegeben ist: nämlich der Wert der doppelten Brennspannung des Magnetrons.
So ist in der US 5 897 753 A eine Ausgestaltung angegeben, die mit einer Gleichspannungsquelle für die Kathodenspannung versehen ist, welche mit ihrem positiven Spannungsanschluss an einen Mittelabgriff eines Transformators geschaltet ist. Damit wird die Kathodenspannung durch die Gleichspannungsquelle bestimmt. Allerdings ist das Verhältnis zwischen der Kathodenspannung und den jeweiligen Anodenspannungen nicht beliebig frei wählbar. So muss die Kathodenspannung ihre Funktion erfüllen und die Anodenspannungen so eingestellt werden, dass sie in dem einen Betriebsfalle als Anoden wirken (also eine in Relation zu der Kathodenspannung stehende Spannung aufweisen) und im anderen Betriebsfalle die Verunreinigungen an den Anoden wieder entfernt werden.
In der US 5 616 225 A wird ein RAS beschrieben, mit dem die Bereitstellung der Kathodenspannungen und Anodenspannungen aus drei verschiedenen Spannungsquellen erfolgt, die über eine Steuereinheit steuerbar sind. Neben dem schaltungstechnischen Aufwand sind allerdings hier keine Mittel oder Verfahrensschritte zur gezielten Beeinflussung der Spannungshöhen angegeben.
Da die Ionendichte in einer Magnetronentladung sehr hoch ist, kommt es an der zu reinigenden Elektrode zu einem starken Abtrag, der wesentlich stärker ist, als die Beschichtung in der vorangegangenen Halbwelle.
Dieser Abtrag führt neben einem Verschleiß der Elektroden zu einer Verunreinigung der Schichten, die mit der Magnetron-Sputtereinrichtung erzeugt werden sollen.
Es wurde vorgeschlagen, die Elektroden aus gleichem Material wie das Target des Magnetrons zu fertigen. Das führt aber zu Problemen bei schwachleitfähigen Targets oder Targets aus spröden, nicht bearbeitbaren Materialien. Wegen dieser Einschränkungen konnte sich die seit langem bekannte RAS-Technologie nicht durchsetzen.
Zu einer ähnlichen Situation führt der Weg, die Anode zu ”verstecken”. Grundgedanke dieser lange praktizierten Technik, ist es, die Anoden hinter Blenden anzuordnen, so dass die abgesputterten Teilchen erst nach mehrfachen Stößen die Anode erreichen können. Wenn die Öffnung zur Kathode hinreichend schmal ist, lässt sich dadurch die Standzeit der Anoden wesentlich erhöhen. Allerdings müssen wieder Schichtdickenungleichmäßigkeiten in Kauf genommen werden, weil sich aus energetischen Gründen die Elektronenströme in dem quasineutralen Plasma der Sputterentladung zu einzelnen Pfaden konzentrieren müssen, die dann wieder unterschiedlich starke Ionisationsgrade und damit örtlich unterschiedliche Beschichtungsraten zur Folge haben. Für die geringeren Anforderungen der Vergangenheit war dies der Weg, großtechnisch Substrate mit schlecht leitfähigen Materialien zu beschichten. Besonders nachteilig ist, dass die erwähnten Pfade der Elektronen örtlich instabil sind, so dass sich die Schichtdickenverteilung auf den Substraten unvorhersehbar ändert.
Die klassische Anordnung für Anoden ist im Patent US 4,046,659 A dargestellt. Der Anodenstab befindet sich dort etwas etwa weiter vom Substrat entfernt als das Target neben der Kathode. Diese Position ist elektrisch günstig, weil die Ladungsträger nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen, aber die Anodenfläche steht auch direkt dem Substrat gegenüber, so dass alle von der Anode startenden Partikel auf dem Substrat landen. Außerdem gelangt ein erheblicher Teil des Streudampfes von der Magnetronkathode zu dieser Anode.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die Qualität von Substratbeschichtungen durch eine Erhöhung der Schichtdickengleichmäßigkeit und durch eine Verringerung von durch redundante Anoden hervorgerufene Verunreinigung des Substrates zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das negative Potenzial mit einer Höhe erzeugt wird, die höchstens gleich der Höhe des Kathodenpotenziales ist, wobei eine Versorgungsspannung erzeugt wird, aus der das Kathodenpotenzial galvanisch nicht getrennt als Gleichspannung erzeugt wird, wobei aus dieser Versorgungsspannung jeweils eine Elektrode mit dem negativem Potenzial und die jeweils andere Elektrode mit dem positiven Potenzial beaufschlagt wird. Damit wird vermieden, dass die zu reinigende Elektrode stärker abgetragen wird, als sie in der vorangegangenen Halbwelle beschichtet wurde.
In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen dass als Versorgungsspannung eine Wechselspannung erzeugt wird, aus der das Kathodenpotenzial als pulsierende Gleichspannung erzeugt wird. Je eine negative Halbwelle dieser Wechselspannung wird wechselweise an je eine Elektrode angelegt, während die jeweils positive Halbwelle der Wechselspannung betragsmäßig in der Höhe verringert an der jeweils anderen Elektrode angelegt wird. Damit wird erreicht, dass die Spannung an den Elektroden nie die normale Anodenspannung oder die Magnetronbrennspannung überschreiten.
In einer günstigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Höhe der negative Halbwelle an einer Elektrode verringert wird, wodurch sicher gestellt werden kann, dass kein höherer Materialabtrag von der Elektrode erfolgt, der zu Verunreinigungen führen würde.
Besonders zweckmäßig es dabei, wenn die Höhe der Potenziale an den Elektroden einstellbar verringert wird.
Neben der Wechselspannungserzeugung ist es auch möglich, dass als Versorgungsspannung eine Gleichspannung erzeugt wird und jeweils eine Elektrode aus dieser Gleichspannung mit negativem Potenzial und die jeweils andere Elektrode mit einem im Vergleich zu der Höhe des positiven Potentiales der Gleichspannung in der Höhe verringertem Potenzial beaufschlagt wird.
Zur getrennten Spannungserzeugung für das Sputtern und das Ionenätzen der Elektroden ist in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass als Versorgungsspannung eine erste und eine zweite Gleichspannung erzeugt wird, aus denen die Kathode wechselweise mit negativer Gleichspannung als Kathodenpotenzial versorgt wird, während jeweils eine Elektrode aus diesen Gleichspannungen mit negativem Potenzial und die jeweils andere Elektrode mit einem im Vergleich zu der Höhe des positiven Potentiales der ersten und der zweiten Gleichspannung betragsmäßig in der Höhe verringertem Potenzial beaufschlagt wird.
Zur einer gezielten Vermeidung eines unkontrollierten Ätzens ist vorgesehen, dass das negative Potential im Vergleich zu der Höhe des negativen Potentiales der ersten und der zweiten Gleichspannung in der Höhe verringert wird.
Anordnungsseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Magnetron-Kathode und die Elektroden über Schaltelemente mit der Spannungsquelle ohne eine galvanische Verbindung verbunden sind, derart, dass an den Elektroden wechselweise eine aus der Spannungsquelle erzeugte negative und positive Spannung anlegbar ist, deren Höhe betragsmäßig höchstens gleich der Kathodenspannung ist.
Eine Ausführungsform unter Erzeugung einer Wechselspannung sieht vor, dass die Spannungsquelle als Wechselspannungsquelle (V_mf) mit einem ersten und einem zweiten Spannungsausgang ausgebildet ist. Der erste Spannungsausgang ist mit einer Kathode einer ersten Diode (V₁) und der zweite Spannungsausgang mit einer Kathode einer zweiten Diode (V₂) verbunden. Die Anoden der ersten (V₁) und der zweiten Diode (V₂) sind zusammen mit der Magnetron-Kathode verbunden. Der erste Spannungsausgang ist direkt mit der ersten Elektrode und der zweite Spannungsausgang direkt mit der zweiten Elektrode und die erste Elektrode über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden. Hierdurch pendeln die Spannungen an den Elektroden zwischen positiver Anodenspannung und negativer Magnetrobrennspannung.
In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, dass die Spannungsquelle als Wechselspannungsquelle (V_mf) mit einem ersten und einem zweiten Spannungsausgang ausgebildet ist. Der erste Spannungsausgang ist mit einer Kathode einer ersten Diode (V₁) und der zweite Spannungsausgang mit einer Kathode einer zweiten Diode (V₂) verbunden. Die Anoden der ersten (V₁) und der zweiten Diode (V₂) sind zusammen mit der Magnetron-Kathode verbunden. Der erste Spannungsausgang ist über eine bei positiver Spannung am ersten Spannungsausgang in Flussrichtung gepolte dritte Diode (V₃), die mit einem ersten Widerstand (R₁) überbrückt ist, mit der ersten Elektrode und der zweite Spannungsausgang über eine bei positiver Spannung am ersten Spannungsausgang in Flussrichtung gepolte vierte Diode (V₄), die mit einem zweiten Widerstand (R₂) überbrückt ist, mit der zweiten Elektrode verbunden. Die erste Elektrode ist über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden. Durch diese Anordnung wird es möglich, den Ätzangriff auf die vorher beschichtete Elektrode gezielt zu steuern.
In zweckmäßiger Form ist der erste (R₁) und/oder der zweite Widerstand (R₂) als einstellbarer Widerstand ausgebildet.
Es ist jedoch auch möglich, sowohl den ersten als auch den zweiten Widerstand als veränderliche Widerstände auszubilden. Hierzu wird der erste Widerstand als veränderlicher Widerstand in Form einer Drain/Source-Strecke eines ersten Transistors (V₅) gebildet, dessen Gate mit der Mitte einer parallel zur Drain/Source-Strecke liegenden Reihenschaltung aus einer ersten Zenerdiode (V₇) und einem dritten Widerstand (R₃) verbunden ist. Der zweite Widerstand wird als veränderlicher Widerstand in Form einer Drain/Source-Strecke eines ersten Transistors (V₆) gebildet, dessen Gate mit der Mitte einer parallel zur Drain/Source-Strecke liegenden Reihenschaltung aus einer zweiten Zenerdiode (V₈) und einem vierten Widerstand (R₄) verbunden ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste (V₅) und der zweite Transistor (V₆) als Insulated Gate Bipolar Transitoren (IGBT) ausgebildet sind.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Wechselspannungsquelle (V_mf) als Mittelfrequenzspannungsquelle ausgebildet ist.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Spannungsquelle als Gleichspannungsquelle (V_gl) mit einem negativen und einem positiven Spannungsausgang ausgebildet ist. Der negative Spannungsausgang ist über einen ersten Schalter (S₁) und der positive Spannungsausgang über einen zweiten Schalter mit der Magnetron-Kathode verbunden. Der negative und der positive Spannungsausgang ist über einen Schaltervierpol aus einem dritten (S₃), vierten (S₄), fünften (S₅) und sechsten (S₆) Schalter in Form einer Brückenschaltung, wobei in jedem Brückenzweig einer der Schalter angeordnet ist, mit der ersten und zweiten Elektrode verbunden. Die erste Elektrode ist über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden.
Für eine getrennte Spannungsvorsorgung für das Sputtern und das Ionenätzen ist die Spannungsquelle als erste (V_gl1) und zweite Gleichspannungsquelle (V_gl2) mit je einem negativen und je einem positiven Spannungsausgang ausgebildet. Beide positiven Spannungsausgänge sind dabei zusammen geschalten. Der negative Spannungsausgang der zweiten Gleichspannungsquelle (V_gl2) sind über einen ersten Schalter (S₁) und die positiven Spannungsausgänge über einen zweiten Schalter mit der Magnetron-Kathode verbunden. Der negative Spannungsausgang der ersten Gleichspannungsquelle (V_gl1) und die positiven Spannungsausgänge sind über einen Schaltervierpol aus einem dritten (S₃), vierten (S₄), fünften (S₅) und sechsten (S₆) Schalter in Form einer Brückenschaltung, wobei in jedem Brückenzweig einer der Schalter angeordnet ist, mit der ersten und zweiten Elektrode verbunden. Die erste Elektrode ist über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden.
Die Erfüllung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung kann auch durch eine körperliche Gestaltung der Elektroden wirkungsvoll unterstützt werden, die nachfolgend erläutert wird. Dabei ist zunächst vorgesehen, dass die Magnetron-Kathode die Form eines längserstreckten Magnetrons aufweist und dass die Elektroden parallel zu der Längserstreckung und von einem dem Target des Magnetrons gegenüber liegenden Substrat mittels einer Abschirmung abgeschirmt sind.
Mit einer derartigen Ausgestaltung wird erreicht, dass die Ladungsträger frei zu den als Anoden geschalteten Elektroden gelangen können, ohne dass es dabei zur Ausbildung von örtlich unterschiedlichen Plasmakonzentrationen vor den als Anode wirkenden Elektroden kommt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Elektroden mit ihrer Abschirmung seitlich neben dem Magnetron angeordnet sind.
Besonders zweckmäßig ist es, die ohnehin vorhandene Dunkelraumabschirmung auch als Abschirmung der Elektroden zu nutzen, indem die Abschirmung mit einer Dunkelraumabschirmung des Magnetrons verbunden ist.
Da sich die Abschirmung infolge des Teilchenbeschusses des Plasmas erwärmt, ist es zweckmäßig, dass die Abschirmung mit einer Wasserkühlung versehen ist.
Zur weiteren Erhöhung der Wirksamkeit ist vorgesehen, dass die Elektroden auch an Schmalseiten des längserstreckten Magnetrons, vorzugsweise als Ringelektroden angeordnet sind.
In günstiger Gestaltung umhüllt die Abschirmung die Elektroden unter Freilassung eines Spaltes. Dabei ist es herstellungsgünstig, dass die Abschirmung aus einem geschlitzten Rechteckrohr besteht.
Besonders zweckmäßig ist die Anordnung der Abschirmung seitlich neben dem Magnetron, wobei der Spalt auf der dem Magnetron abgewandten Seite angeordnet ist.
Bei einem Rohrmagnetron als längserstrecktes Magnetron kann es zweckmäßig sein, die Elektroden mit ihren Abschirmungen auf der dem Substrat abgewandten Seite des Rohrmagnetron anzuordnen und dass die die Spalte der einander gegenüberliegenden Abschirmungen aufeinander zu weisen.
Zur weiteren Erhöhung der Wirksamkeit ist vorgesehen, dass die Abstände zwischen den Elektroden untereinander und zwischen den Elektroden und der Abschirmung eine Plasmabildung verhindernd eingestellt sind.
Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Abstand zwischen den Elektroden 4 bis 10 mm und/oder der Abstand zwischen Elektroden und Abschirmung 4 bis 10 mm beträgt.
Es ist schließlich auch möglich, die Elektroden direkt zu kühlen, indem die Elektroden rohrförmig und Kühlmittel führend ausgebildet sind.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 eine Schaltungsanordnung zum redundanten Anoden-Sputtern nach dem Stand der Technik,
2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer einfachen Diodenankopplung der Wechselspannungsquelle,
3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem einstellbaren Potential analen Elektroden,
4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit veränderlichen Widerständen,
5 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannungsquelle,
6 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zwei Gleichspannungsquellen,
7 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wie in 3 mit einer überbrückenden R/C-Reihenschaltung,
8 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannungsquelle und veränderlichen Widerständen,
9 eine Vorderansicht auf eine Magnetron-Kathode mit seitlich angeordneten Elektroden,
10 eine Darstellung der Einführung der Elektroden in die Vakuumkammer,
11 eine Untersicht der Magnetron-Kathode,
12 eine Vorderansicht auf eine Magnetron-Kathode mit einer ringförmigen Anordnung der Elektroden,
13 eine Untersicht auf die Anordnung gemäß 12,
14 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Rohrmagnetron,
15 eine Untersicht der Anordnung gemäß 14,
16 die Vorderansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung unter Einsatz eines Rohrmagnetrons mit außen liegendem Spalt,
17 eine Untersicht der Ausgestaltung gemäß 16,
18 die Vorderansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung unter Einsatz eines Rohrmagnetrons mit innen liegendem Spalt.
19 eine Untersicht Ausgestaltung gemäß 18,
20 einen Querschnitt durch Elektroden mit Abschirmung und
21 einen Querschnitt durch Elektroden mit Abschirmung und Kühlung.
Wie in 1 dargestellt, wird bei dem bekannten Stand der Technik ein Transformator eingesetzt, der die eingangs geschilderten Nachteile mit sich bringt.
Wie 2 zeigt, lässt sich eine Magnetron-Kathode auch über 2 Dioden, V1 und V2 mit zwei zusätzlichen Elektroden betreiben. In diesem Falle pendeln die Spannungen an den Elektroden nur zwischen positiver Anodenspannung und negativer Magnetronbrennspannung.
Liegt am Pol 1 vom Mittelfrequenzgenerator Vmf eine gegenüber Pol 2 des Mittelfrequenzgeneratots Vmf negative Spannung, dann leitet die Diode V1, die Diode V2 sperrt und die Magnetronentladung zündet bei hinreichender Spannungshöhe zwischen Kathode und Elektrode 2. Die Elektrode 2 wirkt zu diesem Zeitpunkt als Anode der Magnetronentladung und die Spannung an dieser Elektrode stellt sich dann entsprechend den Bedingungen der Magnetronentladung auf +20 ... +150 V ein.
Die Elektrode 1 ist direkt mit dem Pol 1 von Vmf verbunden. Daher hat sie, abgesehen von den Leitungsverlusten in der Diode V1 die gleiche negative Spannung gegenüber der Elektrode 2 wie die Kathode.
Damit tritt der Effekt des Ionenätzens an der Elektrode 1 auf, aber die Spannung betragt nur die Hälfte des Wertes der Anordnung mit dem Transformator nach dem Stand der Technik gemäß 1.
In der nächsten Halbwelle kehren sich die Verhältnisse um, so dass nun der Pol 2 des Mittelfrequenzgenerators Vmf negativ gegenüber dem Pol 1 des Mittelfrequenzgenerators Vmf ist. Damit leitet nun die Diode V2, die Diode V1 sperrt, die Elektrode 1 wirkt als Anode der Magnetronentladung und an der Elektrode 2, die nun auf gleichem Potential wie die Kathode ist.
Die technische Ausführung verlangt neben den beiden Dioden noch Beschaltungselemente, die Überspannungen begrenzen und zum sicheren Zünden der Entladung eine Dioden/Widerstandskombination, in 2 mit Vzh1 und Rzh1 und Vzh2 und Rzh2 bezeichnet, aufweisen.
Trotz der gegenüber der ursprünglichen Ausführung halbierten Spannung ist der Ätzeffekt an den Elektroden noch sehr stark. Deshalb ist es wünschenswert, den Ätzangriff steuern zu können.
Die Schaltung in 3 zeigt die Lösung:
In die Leitungen zu den Elektroden 1 bzw. 2 sind die Dioden V3 bzw. V4 eingefügt, denen die veränderbaren Widerstände R1 bzw. R2 parallel geschaltet sind.
Liegt am Pol 1 von Vmf eine gegenüber Pol 2 vom Mittelfrequenzgenerator Vmf negativere Spannung, dann leitet die Diode V1, die Diode V2 sperrt und die Magnetronentladung zündet zwischen Kathode und Elektrode 2.
Die Diode V4 wird leitend, während die Diode V3 sperrt. Dadurch kann ein Stromfluss zwischen Elektrode 1 und dem Pol 1 vom Mittelfrequenzgenerator Vmf nur noch über den Widerstand R1 erfolgen. Die Elektrode 1 wird entsprechend der Größe des Widerstandes mit weniger Ionen beaufschlagt und damit weniger geätzt.
In der nächsten Halbwelle der Mittelfrequenzspannung kehren sich die Verhältnisse um, und es wird die Elektrode 1 zur Anode während die Elektrode 2 geätzt wird.
Durch die Größe der veränderbaren Widerstände R1 bzw. R2 kann der Strom durch die Elektroden 1 bzw. 2 und damit der ätzende Ionenbeschuss individuell so eingestellt werden, wie er für den Prozess benötigt wird.
Um die Freiheit der elektronischen Steuerung zu haben, bietet es sich an, moderne Halbleiterbauelemente als veränderbaren Widerstand zu verwenden.
Die Schaltung in 4 zeigt die Variante, bei der ein IGBT (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) als veränderlicher Widerstand verwendet wird. Die Zenerdioden V7 bzw. V8 werden ab einer bestimmten Spannung leitend, so dass ein Strom über den Widerstand R3 bzw. R4 fließt. Der dabei auftretende Spannungsabfall steuert den IGBT V5 bzw. V6 auf, so dass gerade genügend Spannung über den Zenerdioden bleibt. Damit wird die Spannung an der Elektrode um einen konstanten Betrag, den der Zenerspannung von V7 bzw. V8, niedriger als an der Magnetronkathode.
Die in den IGBT enthalten Schutzdioden kann man für diese Schaltung verwenden, so dass V3 und V5 bzw. V4 und V6 in einem Powermodul zusammengefasst sind.
Ebenso lässt sich eine konventionelle Konstantstrom-Schaltung einsetzen, die einen definierten Ionenstrom einstellt.
Während alle vorstehenden Schaltungen einen Mittelfrequenzgenerator zwingend benötigen, ist das RAS-Prinzip (RAS: Redundant Anode Sputtering) auch mit Puls-Einrichtungen möglich.
Die Schaltung in 5 zeigt die Anordnung. Die klassische H-Brücke aus den Schaltern S3 bis S6 polt die Elektroden zyklisch um, so dass der Reinigungseffekt wieder erzeugt wird.
Die Schalter S1 und S2 bieten eine weitere Möglichkeit, die mit einer, Mittelfrequenzeinspeisung nicht zur Verfügung steht:
Bei den Varianten nach 2 bis 4 schwankt das Kathodenpotential während der gesamten Betriebszeit zwischen Null und der negativen Brennspannung der Kathode. In den seitlich angebrachten Diagrammen zum Zeitverlauf der Spannungen ist dieses Verhalten illustriert.
Bei hoch isolierenden Materialien wie SiO₂ ist diese permanente Ausrichtung des Potentials schädlich. Sie führt zu Aufladungen auf dem Target, die ihrerseits in Überschlägen mit Lichtbögen enden. Ein sicheres Mittel gegen diese Aufladungen ist eine hinreichend schnelle Umpolung der Targetoberfläche, so dass die Ladungsträger im Plasma neutralisiert werden (s. Szczyrbowski + Teschner; Reactive Sputtering of SiO2 layers ...; SVC 1995).
Zeitpunkt 0: alle Schalter sind offen.
Zeitpunkt 1: S1, S4, S5 geschlossen: Die Entladung zündet und brennt zwischen Kathode und Elektrode 2. Die Elektrode 1 wird geätzt. An der Elektrode 1 liegt die gleiche Spannung wie an der Kathode.
Zeitpunkt 2: S1 und S4 werden geöffnet: Die Entladung wird unterbrochen.
Zeitpunkt 3: S2 wird geschlossen: Die aufgeladene Kathode wird jetzt positiver als die Elektrode 1 und saugt damit die Elektronen aus dem Restplasma ab und entlädt sich dadurch.
Zeitpunkt 4: alle Schalter sind offen.
Zeitpunkt 5: S1, S3, S6 geschlossen: Die Entladung zündet und brennt zwischen Kathode und Elektrode 1. Die Elektrode 2 wird geätzt. An der Elektrode 2 liegt die gleiche Spannung wie an der Kathode.
Zeitpunkt 6: S1 und S3 werden geöffnet: Die Entladung wird unterbrochen.
Zeitpunkt 7: S2 wird geschlossen: Die aufgeladene Kathode wird jetzt positiver als die Elektrode 2 und saugt damit die Elektronen aus dem Restplasma ab und entlädt sich dadurch.
Zeitpunkt 8: alle Schalter sind offen.
Danach wiederholt sich der Zyklus.
Für die Schalter werden in den Pulsschaltungen gegenwärtig IGBTs verwendet.
Soll auch hier die Steuerbarkeit des Ionenätzens erreicht werden, kann die Schaltung 6 dargestellt verändert werden. Die Stromversorgung wird in 2 Stromversorgungen aufgeteilt, die erste zum Sputtern die zweite zum Ionenätzen der Elektroden. Da die beiden Stromversorgungen unabhängig voneinander eingestellt werden können, kann auch die Spannungshöhe an den Elektroden während der Ätz-Phase entsprechend den technologischen Erfordernissen angepasst werden.
Die Anoden 2 und 3 in 7 werden mit einem RC-Glied aus C1 und R3 verbunden. Der Kondensator C1 dient der Rückführung der positiven Spannung auf den negativen Zweig, der durch die Dioden abgesperrt wird. Während ohne einen Kondensator die Dioden ihre gespeicherte Ladung in den Ätzentladung abgeben und damit immer zu einem Mindestätzangriff führen, wird über das RC-Glied die Ladung der Dioden am Plasma vorbei abgeführt, so dass eine vollständige Unterbindung der Ätzung möglich wird.
Der Widerstand R3 im RC-Glied dient dazu, die Impulsströme auf für die im Diodenmodul 8 verwendeten Dioden zulässige Werte zu begrenzen.
Eine weitere Abwandlung des RAS-Prinzips stellt die geschaltete Doppelanoden-Anordnung dar, die in 8 dargestellt ist. Im Gegensatz zum originalen RAS-Prinzip wird hier anstelle der Mittelfrequenzversorgung 9 eine Gleichstromversorgung benutzt, deren Minuspol permanent mit der Magnetronkathode 1 verbunden ist. Die Anoden 2 und 3 sind über die Widerstände R3 und R4 mit der Kathode verbunden. Jede Anode ist außerdem über einen Schalter, in 8 als IGBTs V5 und V6 dargestellt, mit dem Pluspol der Gleichstromversorgung verbunden.
Sind die Schalter V5 und V6 geschlossen, arbeitet diese Anordnung wie eine klassische Gleichstrom-Sputteranordnung.
Wird einer der Schalter geöffnet, dann wird das Potenzial der mit dem offenen Schalter verbundenen Elektrode infolge des Widerstandes, der diese Elektrode mit der Kathode verbindet, stark negativ, so dass diese Elektrode nicht mehr als Anode der Gasentladung wirken kann, sondern als Zusatzkathode wirkt. Die andere, mit dem geschlossenen Schalter verbundene, Elektrode übernimmt in der Zeit, wo ein Schalter geöffnet ist, den gesamten Anodenstrom der Entladung.
Da dieser Zusatzkathode die Magnetfeldunterstützung fehlt, ist der Strombeitrag gering. Aber die von der Magnetronkathode erzeugte Plasmawolke liefert hinreichend viele positive Ionen, so dass durch das negative Potenzial eine Ionen-Extraktion erfolgt, die zum Abätzen und damit zum Reinigen der Anodenoberfläche führt. Es muss immer einer von den zwei Schaltern geschlossen sein, damit die Sputterentladung ihre Anode findet.
In 8 ist ein Beispiel für die Impulsfolge dargestellt. Darin sind die Öffnungszeiten der Schalter t_off5 und t_off6 unterschiedlich dargestellt, weil mit unterschiedlichen Öffnungszeiten einer gegebenenfalls unterschiedlichen Beschichtung der Elektroden entgegengewirkt werden kann. Durch das individuelle Einstellen der Öffnungszeiten lässt sich die Reinigungswirkung dosieren.
Diese individuelle Einstellung ist besonders wichtig, weil sich die Beschichtung der Elektroden in Abhängigkeit von der eingespeisten Kathodenleistung und dem herrschenden Arbeitsdruck ändert.
Die sinnvolle Periodendauer für die wiederholte Öffnung der Schalter hängt von den Materialeigenschaften der entstehenden Schicht ab. Sie liegen im Bereich von einigen Hertz bis zur 100 kHz. Bei hochisolierenden Schichten muss durch das schnelle Reinigen verhindert werden, dass sich eine vollständige Beschichtung der Anode in einer Periode ausbilden kann.
Die Dioden-Widerstandskombinationen V1/R1 bzw. V2/R2 dienen der Unterstützung beim erstmaligen Zünden der Magnetronentladung.
Die Dioden V3 bzw. V4 gehören zum jeweiligen IGBT und dienen dessen Schutz gegen Verpolung.
Um eine gleichmäßige Beschichtung mit einer Magnetronanordnung zu erreichen, ist die Anodenkonstruktion unter anderem so auszuführen, dass die Ladungsträger frei zur Anode gelangen können, ohne dass es dabei zur Ausbildung von örtlich unterschiedlichen Plasmakonzentrationen vor den Anoden kommt.
Diese Anordnung wurde dahingehend abgewandelt, siehe auch 9 bis 11, dass die zwei für die RAS-Anordnung erforderlichen Anodenstäbe 2 und 3 auf beiden längeren Seiten der Kathode 1 angebracht und vom Substrat durch mit der Dunkelraumabschirmung 4 und 5 verbundene Flächen getrennt wurden. Eine weitere Fläche wurde auf der targetabgewandten Seite der Anodenstäbe eingefügt, so dass der Querschnitt des Teiles 5 eine U-Form aufweist.
Die Oberflächen der Teile 4 und 5 sind dem Teilchenbeschuss des Plasmas ausgesetzt, so dass sie bei Hochleistungskathoden als wassergekühlte Bleche ausgeführt werden.
Die 10 zeigt die Seitenansicht von links der 9, die 11 die Untersicht zu 9.
Die elektrische Verschaltung ist nur symbolisch dargestellt: Die jeweils obere Anode 3 ist mit einem Pol der Mittelfrequenzversorgung 9 verbunden, die jeweils untere Anode 2 mit dem anderen Pol der Mittelfrequenzversorgung 9. Mit den beiden Polen der Mittelfequenzversorgung ist das Diodenmodul 8 verbunden. Die Anoden des Diodenmoduls 8 sind mit der Magnetronkathode 1 verbunden.
Die Wirkung der Anode und die Größe der eingeprägten Ätzleistung lässt sich durch die Öffnung in der Fläche 4 steuern. Für die Funktion der Gasentladung ist es notwendig, dass sich der Anodenfall vor den Anodenstäben vollständig ausbilden kann. Das bedeutet für die Konstruktionsvorschrift, dass sich im Abstand von 40 bis 80 mm vor den Anoden 2 und 3 keine weiteren Teile befinden dürfen, die das Plasma einengen. In 21 ist dieses Maß mit a bezeichnet.
Die beiden Schenkel des Teiles 5 sind deshalb in dieser Länge ausgeführt worden. An ihren Enden tragen sie Endplatten 4, die den Querschnitt, in dem sich die Anoden 2 und 3 befinden, zu einem Rechteckrohr werden lassen, dass mit einem Spalt parallel zur Targetlängsausdehnung geöffnet ist. Die Spaltbreite wurde in der als e bezeichnet. Die Ladungsträger dringen vom Plasmaraum in diesen Spalt ein. Wegen der unterschiedlichen Beweglichkeit von Ionen und Elektronen ist es möglich, dass bei geringer Spaltbreite e bevorzugt Elektronen zu den Anoden gelangen, die Ionen aber behindert werden. Dementsprechend sinkt die Ätzwirkung an den Anoden. zum anderen bewirkt eine geringe Spaltbreite e eine gute Abschirmung des Substrates vor Verunreinigungen von der Anode.
Damit sich die Entladung vor den Anoden 2 und 3 in Richtung Spaltöffnung e ausbreitet, sind die Abstände b zwischen den Anoden 2 und 3 und der Dunkelraumabschirmung 5 auf 4 bis 10 mm einzustellen, so dass das Plasma darin gelöscht wird. Um eine direkte Plasmabildung zwischen den Anoden 2 und 3 zu verhindern, ist der Abstand zwischen den Anoden 2 und 3, der in der 21 als c bezeichnet wurde, auch auf 4 bis 10 mm einzustellen.
Um die elektrisch wirksame Anode definieren zu können, sind die Teile der Anoden 2 und 3, die das Plasma nicht kontaktieren sollen, mit den Isolatoren 6 abgedeckt. Wegen der Nähe zum Plasmaraum sind Isolationsmaterialien zu verwenden, die den im Plasma unvermeidlichen Belastungen wie Ionenbeschuss und ultraviolette Strahlung widerstehen können, z. B. Quarzglas oder Keramik.
Noch bessere Schichtdickengleichmäßigkeiten erreicht man, wenn die Magnetronkathode allseits von Anoden umgeben ist. Die zeigt die Untersicht der 12, bei der die seitlichen Anoden 2 und 3 als Ringe 2 und 3 ausgebildet wurden. In der Mitte der Ringe befindet sich die Magnetronkathode 1. Die Ringe sind in dem oben beschriebenen Rohrquerschnitt 4 und 5 untergebracht. Im Unterschied zu der Stabanordnung läuft bei der Ringanordnung die Abdeckung auch über die Stirnseiten der Kathode, so dass die Dunkelraumabschirmungen 4 und 5 ebenfalls Ringe bilden.
Bei Hochleistungskathoden müssen die Anoden wassergekühlt sein, weil ca. 10% der gesamten Entladungsleistung auf den Anoden umgesetzt werden. Bei den Stabanoden wird das Kühlwasser durch die Doppelrohrkonstruktion im Stab hin- und zurückgeführt. Bei den Ringanoden wird das Wasser in einem T-Stück in den Ring eingespeist und nach Durchlauf durch den gesamten Ring am gleichen T-Stück wieder abgeleitet.
Die Ringkonstruktion hat gegenüber den Stäben einen weiteren Vorteil, die isolierte Befestigung der Anoden vereinfacht sich: In der 18 ist zu sehen, dass die oben beschriebenen Abstände c zwischen den Ringanoden 2 und 3 untereinander und der Abstand b der Ringanoden 2 und 3 zu der Dunkelraumabschirmung 5 durch Zylinder 10 aus Keramik eingestellt werden. Dabei handelt es sich um kurze Keramikstäbe, die über die Länge der Anodenringe verteilt werden. Wegen der eingestellten Abstände, die eine Dunkelraumlöschung des Plasmas auf der Innenseite der Anodenringe 2 und 3 bewirken, haben diese Keramikstäbe keinen Einfluss auf die Plasmahomogenität auf der Vorderseite der Anoden.
Die 9 bis 13 zeigen die Anordnungen, bei denen die Magnetronkathode 1 ein Planarmagnetron ist. Die gleiche Technik ist aber bei zylindrischen Magnetrons anwendbar.
Die 14 bis 19 zeigen, dass die Ringanoden 2 und 3 in einer Ebene hinter der zylindrischen Kathode 1, abgewandt vom Substrat liegen. Die elektrische Beschaltung und die geometrische Anordnung der Anodenrohre 2 und 3 in der Dunkelraumabschirmung 4 und 5 sind den oben beschriebenen identisch.
In den 14 und 15 ist dargestellt, dass die Dunkelraumabschirmung 4 und 5 und die Anodenringe 2 und 3 die gesamte Vorrichtung des zylindrischen Magnetrons, d. h. einschließlich der Halterungen für das Targetrohr umschließen. Die Spaltöffnung e zeigt in diesem Falle nach außen.
In den 16 und 17 ist dargestellt, dass die Dunkelraumabschirmung 4 und 5 und die Anodenringe 2 und 3 nur den Raum unterhalb des Targetrohres umschließen. Die Spaltöffnung e zeigt in diesem Falle nach außen.
In den 18 und 19 ist dargestellt, dass die Dunkelraumabschirmung 4 und 5 und die Anodenringe 2 und 3 nur den Raum unterhalb des Targetrohres umschließen. Die Spaltöffnung e zeigt in diesem Falle nach innen.
Die Steuerung der Abätzung der Anoden durch Einstellen der Spaltbreite e in der oben beschriebenen Weise kann auch dazu benutzt werden, durch örtlich unterschiedliche Spaltbreite die Plasmaintensität örtlich zu verändern und damit die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat zu beeinflussen. So können Inhomogenitäten, die durch andere Einflussfaktoren entstanden sein können, ausgeglichen werden.
Aus der Beschreibung ist zu entnehmen, dass mit der Spaltbreite e das Abätzen der Anoden verringert aber nicht gänzlich unterbunden werden kann.
Das Ideal wäre, dass sich die ungewollte Beschichtung der Anoden und die Säuberung durch das Abätzen exakt die Waage halten. Mechanisch ist dieser Zustand nicht einstellbar. Deshalb wurden die Schaltungen gemäß 3 und 4 um einen weiteren Zweig erweitert, wie in 7 dargestellt.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Substrats unter Einsatz des redundanten Anoden-Sputterns von einem Target auf einer als Magnetron ausgebildeten Kathode, bei dem die Kathode mit negativem Kathodenpotenzial versorgt wird und neben der Kathode zwei Elektroden wechselweise mit positivem Potenzial oder mit negativem Potenzial beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Potenzial mit einer Höhe erzeugt wird, die höchstens gleich der Höhe des Kathodenpotenziales ist, wobei eine Versorgungsspannung erzeugt wird, aus der das Kathodenpotenzial galvanisch nicht getrennt als Gleichspannung erzeugt wird, wobei aus dieser Versorgungsspannung jeweils eine Elektrode mit dem negativem Potenzial und die jeweils andere Elektrode mit dem positiven Potenzial beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Versorgungsspannung eine Wechselspannung erzeugt wird, aus der das Kathodenpotenzial als pulsierende Gleichspannung erzeugt wird und dass je eine negative Halbwelle dieser Wechselspannung wechselweise an je eine Elektrode angelegt wird, während die jeweils positive Halbwelle der Wechselspannung betragsmäßig in der Höhe verringert an der jeweils anderen Elektrode angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der negativen Halbwelle an einer Elektrode verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Potenziale an den Elektroden einstellbar verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Versorgungsspannung eine Gleichspannung erzeugt wird und jeweils eine Elektrode aus dieser Gleichspannung mit negativem Potenzial und die jeweils andere Elektrode mit einem im Vergleich zu der Höhe des positiven Potentiales der Gleichspannung betragsmäßig in der Höhe verringertem Potenzial beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Versorgungsspannung eine erste und eine zweite Gleichspannung erzeugt wird, aus denen die Kathode wechselweise mit negativer Gleichspannung als Kathodenpotenzial versorgt wird, während jeweils eine Elektrode aus diesen Gleichspannungen mit negativem Potenzial und die jeweils andere Elektrode mit einem im Vergleich zu der Höhe des positiven Potentiales der ersten und der zweiten Gleichspannung betragsmäßig in der Höhe verringertem Potenzial beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Potential im Vergleich zu der Höhe des negativen Potentiales der ersten und der zweiten Gleichspannung in der Höhe verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Höhe der Potenziale an den Elektroden einstellbar verringert wird.
Anordnung zum Beschichten eines Substrats unter Einsatz des redundanten Anoden-Sputterns mit einer Vakuumkammer, einer Magnetron-Kathode, zwei Elektroden und einer Spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetron-Kathode und die Elektroden über Schaltelemente mit der Spannungsquelle ohne eine galvanische Verbindung verbunden sind, derart, dass an den Elektroden wechselweise eine aus der Spannungsquelle erzeugte negative und positive Spannung anlegbar ist, deren Höhe betragsmäßig höchstens gleich der Kathodenspannung ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle als Wechselspannungsquelle (V_mf) mit einem ersten und einem zweiten Spannungsausgang ausgebildet ist, dass der erste Spannungsausgang mit einer Kathode einer ersten Diode (V₁) und der zweite Spannungsausgang mit einer Kathode einer zweiten Diode (V₂) verbunden ist und die Anoden der ersten (V₁) und der zweiten Diode (V₂) zusammen mit der Magnetron-Kathode verbunden sind, dass der erste Spannungsausgang direkt mit der ersten Elektrode und der zweite Spannungsausgang direkt mit der zweiten Elektrode verbunden ist und die erste Elektrode über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle als wechselspannungsquelle (V_mf) mit einem ersten und einem zweiten Spannungsausgang ausgebildet ist, dass der erste Spannungsausgang mit einer Kathode einer ersten Diode (V₁) und der zweite Spannungsausgang mit einer Kathode einer zweiten Diode (V₂) verbunden ist und die Anoden der ersten (V₁) und der zweiten Diode (V₂) zusammen mit der Magnetron-Kathode verbunden sind, dass der erste Spannungsausgang über eine bei positiver Spannung am ersten Spannungsausgang in Flussrichtung gepolte dritte Diode (V₃), die mit einem ersten Widerstand (R₁) überbrückt ist, mit der ersten Elektrode und der zweite Spannungsausgang über eine bei positiver Spannung am ersten Spannungsausgang in Flussrichtung gepolte vierte Diode (V₄), die mit einem zweiten Widerstand (R₂) überbrückt ist, mit der zweiten Elektrode verbunden ist und die erste Elektrode über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (R₁) und/oder der zweite Widerstand (R₂) als einstellbarer Widerstand ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand als veränderlicher Widerstand in Form einer Drain/Source-Strecke eines ersten Transistors (V₅) gebildet wird, dessen Gate mit der Mitte einer parallel zur Drain/Source-Strecke liegenden Reihenschaltung aus einer ersten Zenerdiode (V₇) und einem dritten Widerstand (R₃) verbunden ist und dass der zweite Widerstand als veränderlicher Widerstand in Form einer Drain/Source-Strecke eines ersten Transistors (V₆) gebildet wird, dessen Gate mit der Mitte einer parallel zur Drain/Source-Strecke liegenden Reihenschaltung aus einer zweiten Zenerdiode (V₈) und einem vierten Widerstand (R₄) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (V₅) und der zweite Transistor (V₆) als Insulated Gate Bipolar Transitoren (IGBT) ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (V_mf) als Mittelfrequenzspannungsquelle ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle als Gleichspannungsquelle (V_gl) mit einem negativen und einem positiven Spannungsausgang ausgebildet ist, dass der negative Spannungsausgang über einen ersten Schalter (S1) und der positive Spannungsausgang über einen zweiten Schalter mit der Magnetron-Kathode verbunden sind, dass der negative und der positive Spannungsausgang über einen Schaltervierpol aus einem dritten (S₃), vierten (S₄), fünften (S₅) und sechsten (S₆) Schalter in Form einer Brückenschaltung, wobei in jedem Brückenzweig einer der Schalter angeordnet ist, mit der ersten und zweiten Elektrode verbunden ist und die erste Elektrode über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle als erste (V_gl1) und zweite Gleichspannungsquelle (V_gl2) mit je einem negativen und je einem positiven Spannungsausgang ausgebildet ist, dass beide positiven Spannungsausgänge zusammen geschalten sind, dass der negative Spannungsausgang der zweiten Gleichspannungsquelle (V_gl2) über einen ersten Schalter (S₁) und die positiven Spannungsausgänge über einen zweiten Schalter mit der Magnetron-Kathode verbunden sind, dass der negative Spannungsausgang der ersten Gleichspannungsquelle (V_gl1) und die positiven Spannungsausgänge über einen Schaltervierpol aus einem dritten (S₃), vierten (S₄), fünften (S₅) und sechsten (S₆) Schalter in Form einer Brückenschaltung, wobei in jedem Brückenzweig einer der Schalter angeordnet ist, mit der ersten und zweiten Elektrode verbunden ist und die erste Elektrode über eine erste Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh1, R_zh1) mit Masse und die zweite Elektrode über eine zweite Dioden-Widerstandsreihenschaltung (V_zh2, R_zh2) mit Masse verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetron-Kathode die Form eines längserstreckten Magnetrons aufweist und dass die Elektroden parallel zu der Längserstreckung und von einem dem Target des Magnetrons gegenüber liegenden Substrat mittels einer Abschirmung abgeschirmt sind.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit ihrer Abschirmung seitlich neben dem Magnetron angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung mit einer Dunkelraumabschirmung des Magnetrons verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung mit einer Wasserkühlung versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden auch an Schmalseiten des längserstreckten Magnetrons vorzugsweise als Ringelektroden angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung die Elektroden unter Freilassung eines Spaltes umhüllt.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung aus einem geschlitzten Rechteckrohr besteht.
Anordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt bei einer Anordnung der Abschirmung seitlich neben dem Magnetron auf der dem Magnetron abgewandten Seite angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron als längserstrecktes Rohrmagnetron ausgbildet ist, die Elektroden mit ihren Abschirmungen auf der dem Substrat abgewandten Seite des Rohrmagnetron angeordnet sind und die Spalte der einander gegenüberliegenden Abschirmungen aufeinander zu weisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Elektroden untereinander und zwischen den Elektroden und der Abschirmung eine Plasmabildung verhindernd eingestellt sind.
Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Elektroden 4 bis 10 mm beträgt.
Anordnung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Elektroden und Abschirmung 4 bis 10 mm beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden rohrförmig und Kühlmittel führend ausgebildet sind.