DE19623654A1 - Lichtbogen-Steuer- und Umschaltelementschutz für eine gepulste DC-Energieversorgung - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Niederschlagen von Dünnfilmen und insbesondere bezieht sie sich auf einen reaktiven Sputterprozeß, wo Atome eines Targetmaterials von einem leitfähigen Target gelöst werden, um eine Beschichtung zu bilden, die auf einem Substrat niedergeschlagen wird. Dieser Prozeß kann zum Beispiel in einem reaktiven Sputterprozeß zum Erzeugen von dielektrischen, isolierenden Schichten auf elektri­ schen Teilen oder abnutzungsbeständigen Schichten auf mechanischen Teilen einge­ setzt werden.

Die Erfindung ist noch spezieller auf ein verbessertes DC-Sputterverfahren gerichtet, bei dem das dielektrische Beschichtungsmaterial, das auf dem leitfähigen Target abge­ lagert wird, entfernt wird, um demzufolge eine Hauptursache einer Lichtbogenbildung zu vermeiden.

Reaktives Sputtern und Probleme, die sich auf ein DC-Sputtern beziehen, sind ausführ­ lich in unserer früheren, europäischen, veröffentlichten Anmeldung EP 0692 550 A1 beschrieben.

Sputtern ist ein Vakuumniederschlagsprozeß, bei dem ein Sputtertarget mit Ionen, typi­ scherweise ein ionisiertes Edelgas, beschossen wird, und die Atome des Targetmateri­ als werden mechanisch durch eine Momentenübertragung freigegeben. Das Targetma­ terial beschichtet dann das naheliegende Substrat.

In einem reaktiven Sputterprozeß wird ein reaktives Gas in die Niederschlagskammer eingeführt und freigesetztes Targetmaterial reagiert mit dem reaktiven Gas, um ein Be­ schichtungsmaterial zu bilden. Zum Beispiel kann das Targetmaterial Aluminium sein und Sauerstoff kann als das reaktive Gas eingeführt werden, um eine Beschichtung aus Aluminiumoxid zu bilden. Ein kohlenstoffhaltiges Gas, z. B. Acetylen, kann als das reakti­ ve Gas verwendet werden, um Karbid-Beschichtungen, wie beispielsweise SiC, WC, usw., zu bilden, und N₂ kann eingeführt werden, um eine Nitrid-Beschichtung, wie bei­ spielsweise TiN, zu erzeugen. In jedem Fall reagieren die leitfähigen Targetatome und das Reaktivgas in dem Plasma in der Kammer, um die Verbindung, die als eine Be­ schichtung dient, zu bilden. In einem typischen Beispiel treffen Aluminiumatome, die aus einem Aluminiumtarget freigesetzt sind, auf ein Plasma aus Argon und Sauerstoff, um einen Niederschlag aus Aluminiumoxid zu bilden.

Ein DC-Sputtern ist ein Zufallsprozeß und das isolierende Beschichtungsmaterial wird auf allen verfügbaren Oberflächen niedergeschlagen. Dies bedeutet, daß nicht nur iso­ lierendes Material den Gegenstand, der in Rede steht, beschichtet, sondern es auch an­ dere Oberflächen in der Kammer ebenso beschichtet, einschließlich des Targets. Dem­ zufolge landen in einem reaktiven Sputterprozeß zum Niederschlagen von Aluminiu­ moxid Moleküle als Al₂O₃ auf der Oberfläche des Aluminiumtargets. Dieser Niederschlag eines Isolators auf dem Target verursacht verschiedene Probleme, einschließlich einer Reduktion einer Sputterrate und einer Neigung, eine Lichtbogenbildung zu induzieren.

Eine Kontaminierung des Targets kann auch, gerade beim herkömmlichen DC-Sputtern, aufgrund von atmosphärischen Gase, Wassertröpfchen, Einschlüssen oder Kontaminie­ rungsbestandteilen resultieren. Jedes hiervon kann eine Quelle einer Lichtbogenbildung sein und das Vorhandensein davon wird die Niederschlagsrate über die Zeit aufgrund eines reduzierten, aktiven Sputterbereichs auf dem Target reduzieren. Demgemäß erfor­ dern diese Probleme eine fortlaufende Reinigung der Targetoberfläche.

In Bezug auf dieses Problem ist bekannt gewesen, daß es seit einiger Zeit besteht, al­ lerdings sind dessen Ursachen nicht vollständig berücksichtigt worden. Prozeduren, um diese Probleme zu beseitigen, wie beispielsweise eine Lichtbogensteuerung beim akti­ ven Sputtern, sind nicht vollständig zufriedenstellend gewesen.

Eine Standardmaßnahme setzt das Erfassen des Vorhandenseins eines Lichtbogens und dann ein Unterbrechen des Stromflusses ein. Dies wird den Lichtbogen steuern, al­ lerdings bewirkt dies nichts in Bezug auf die isolierende Beschichtung, die fortfährt, das Target zu bedecken.

Ein früher Versuch, mit dem Lichtbogen fertig zu werden, setzt, und zwar in einer blin­ den Art und Weise, ein periodisches Unterbrechen des Stromflusses zwischen der DC- Energieversorgung und dem Plasmagenerator, wo das Sputtern auftritt, ein. Hier dient das Abschalten der DC-Energie dazu, einen frühen Lichtbogen zu beseitigen bzw. zu beenden. Dies bedeutet, daß unipolare Energieimpulse mit einem festgelegten Taktzy­ klus bzw. Tastverhältnis zu dem Target zugeführt werden. Dies hat den vorteilhaften Ef­ fekt, zu ermöglichen, daß sich eine Ladung nur teilweise über den dielektrischen Nie­ derschlag auf dem Target aufbaut, so daß es in Bezug auf den Lichtbogen weniger wahrscheinlich ist, daß er auftritt, und dies kann auch zu einer kleinen Menge eines Rücksputterns des Niederschlags führen. Allerdings kehrt dieses System, während die Rate eines isolierenden Niederschlags auf dem Target verlangsamt wird, nicht den Nie­ derschlag um.

Ein anderes System, das zuvor vorgeschlagen wurde, ist ein sogenannter Niedrigener­ gie-Lichtbogenunterdrückungsschaltkreis mit einer kleinen Packung (Low Energy Small Package Arc Repression Circuit). In diesem System zykelt ein elektronischer Schalter unter einer Rate von etwa 2 kHz, um den Strom zu dem Target abzuschalten. Dies kehrt tatsächlich die Spannung auf dem Target zu einigen Volt positiv um und zieht einige Elektronen von dem Plasma zu der vorderen Oberfläche des isolierenden Nieder­ schlags. Dies neutralisiert die Anionen auf der vorderen Oberfläche des Niederschlags, um den Spannungsaufbau über die Schicht zu entladen, um dadurch stark das Auftreten eines dielektrischen Durchschlags und einer Lichtbogenbildung zu vermeiden. Auch er­ niedrigt eine Entladung der vorderen Oberfläche der isolierenden Schicht das Oberflä­ chenpotential auf ungefähr dasjenige des Targets. Ein Entladen des dielektrischen Nie­ derschlags ermöglicht auch, daß Argonionen in dem Plasma mit dem isolierenden, die­ lektrischen Material zusammenstoßen. Dies führt zu einem gewissen Zurücksputtern der Moleküle des niedergeschlagenen Materials, um so die Niederschlagsrate auf dem Tar­ get zu verlangsamen.

Allerdings sputtert diese Maßnahme die Moleküle der niedergeschlagenen Verbindung nicht so effektiv wie die Atome des Targetmaterials zurück, und diese Maßnahme war nicht besonders effektiv beim Entfernen von Niederschlägen von dem Target während reaktiver Sputterprozesse.

Unterschiedliche Materialien erfordern, daß unterschiedliche Spannungen an die Tar­ gets angelegt werden, um ein Sputtern zu bewirken. Zum Beispiel erfordert, da ein Goldatom ein viel schwereres Atom als ein Aluminiumatom ist, es ein viel höher energe­ tisches Ion, um es von dem Target zu lösen. Typischerweise beträgt in einem Prozeß, der ein Aluminiumtarget einsetzt, die angelegte Spannung, die benötigt wird, etwa -450 Volt, während in einem ähnlichen Prozeß, der ein Goldtarget einsetzt, die angeleg­ te Spannung etwa -700 Volt sein muß.

Unter Berücksichtigung, daß ein Aluminiumoxid- (Al₂O₃) Molekül wesentlich schwerer als ein Aluminiumatom ist, kann man verstehen, daß ein höheres Potential erforderlich sein würde, um das Argonion genug anzuregen, um die Beschichtung zurückzusputtern bzw. wieder abzusputtern. Dies gilt natürlich für andere Materialien ebenso.

Eine andere Maßnahme, um dieses Problem zu lösen, setzt ein Paar Sputtertargets ein, wobei eines als Kathode und das andere als Anode dient. Die angelegte elektrische Spannung wird periodisch umgekehrt, so daß das Sputtern erst von einem Target und dann von dem anderen auftritt. Dieser Prozeß kehrt auch die Ladung auf dem niederge­ schlagenen, isolierenden Material ebenso um, was die Möglichkeit einer Lichtbogenbil­ dung reduziert und auch etwas des isolierenden Materials auf dem Target wieder ab­ sputtert. Allerdings kann diese Anordnung, die viele Targets erfordert, mühsam und teu­ er sein, um sie einzusetzen. Weiterhin leidet die Anordnung unter einer langsamen Nie­ derschlagsrate aufgrund der Zeitdauer, die für einen Übergang bzw. ein Umschalten be­ nötigt wird.

Diese früheren Lösungen, die ein unipolares Pulsen oder alternierend zyklende Targets einsetzen, sind in gewisser Weise effektiv beim Reduzieren der Spannungsbeanspru­ chung auf den isolierenden Filmen, die auf den Targets zurück niedergeschlagen wer­ den, gewesen, allerdings sind nicht vollständig effektiv beim Entfernen des Rücknieder­ schlags oder beim Verhindern davon gewesen. Keine dieser Maßnahmen sputtert den Isolator von Beginn an ab, bevor er eine Chance hat, sich anzusammeln, und keine die­ ser Techniken ist beim Eliminieren oder beim Stoppen des Rückniederschlags eines iso­ lierenden Films auf dem Target, während eine hohe Niederschlagsrate beibehalten wird, effektiv gewesen.

In dem Prozeß, der in unserer früher veröffentlichten EPA-Patentanmeldung EP 0692 550 A1 offenbart ist, wird ein reaktives DC-Sputtern in einer Plasmakammer
durch Anlegen eines elektrischen Potentials an ein leitfähiges Target durchgeführt, so daß das Targetmaterial von dem Target abgesputtert und mit einem reaktiven Gas in Reaktion gebracht wird, das in die Kammer eingeführt ist. Eine DC-Spannung eines ge­ eigneten Pegels, z. B. -500 Volt, wird von einer Energieversorgung aus an das Sput­ tertarget angelegt, das als Kathode dient, wobei eine leitfähige Oberfläche in der Plas­ makammer auf Masse gehalten wird, um als Anode zu dienen. Ein Edelgas, z. B. Argon, das in der Kammer vorhanden ist, wird ionisiert und erzeugt ein Plasma, z. B. Argon- Anionen und freie Elektronen. Die Elektronen werden in die Anode abgezogen und die positiven Argonionen werden zu der Kathode hin beschleunigt, das bedeutet zu dem leitfähigen Target hin. Die Argonionen schlagen Atome aus dem Targetmaterial von dem Target durch eine Momenten- bzw. Impulsübertragung frei. Die Argonionen nehmen Elektronen von dem negativ geladenen Target auf und wandern zurück zu dem Plasma. Die freigesetzten Targetatome treten in das Plasma ein und reagieren mit einem reakti­ ven Gas, das in die Kammer eingeführt worden ist. Das reaktive Gas kann zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff, Bor, Acetylen, Ammoniak, Silan, Arsen, oder verschiedene andere Gase, sein. Das Reaktionsprodukt wird auf einem Substrat niegergeschlagen, das an­ grenzend an das Plasma positioniert ist. Das Substrat kann ein maskierter Halbleiterwa­ fer sein, auf dem eine Verbindung, wie beispielsweise ein Al₂O₃, ein SiO₂ oder ein ande­ rer Isolator oder ein Dielektrikum, niedergeschlagen werden soll. In einigen Prozessen kann das Substrat ein Bohrer, eine Verschleißplatte, eine Ventilspindel oder ein anderes mechanisches Teil sein, auf dem eine Abnutzungswiderstandsbeschichtung₁ wie bei­ spielsweise WC oder TiN, niedergeschlagen wird.

Ein nicht-reaktives Sputtern kann dazu verwendet werden, eine leitfähige Schicht auf das Hauptteil in einem Kompakt-Disk-Herstellungsprozeß niederzuschlagen, um eine darauffolgende Elektroplattierung zu ermöglichen.

Wie zuvor erwähnt ist, wird das Reaktionsprodukt des reaktiven Sputterprozesses zufäl­ lig niedergeschlagen und es beschichtet nicht nur das Arbeitsstück-Substrat, sondern beschichtet auch andere Oberflächen, einschließlich Wände der Kammer und das Sput­ tertarget. Eine Ansammlung der isolierenden Beschichtung kann einen Lichtbogen induzieren und auch den verfügbaren Bereich des Sputtertargets reduzieren, um da­ durch die Sputterrate über die Zeit zu reduzieren.

In dem Prozeß, der in der EPA-Patentanmeldung 0692 550 A1 beschrieben ist, wird die DC-Energie, die an das Target angelegt wird, periodisch durch Umkehr-Vorspannungs- Impulse eines DC-Spannungsniveaus unterbrochen, das relativ zu der Anode positiv ist. Vorzugsweise befinden sich die Umkehr-Vorspannungs-Impulse auf einem Pegel von 50 bis 300 Volt oberhalb des Erdungspotentials, und diese werden bei einer Impulsfrequenz von 40 kHz bis 250 kHz mit einer Impulsbreite von 1 µsec bis 3 µsec beauf­ schlagt. Dies führt zu niedrigen Tastverhältnis-Impulsen (etwa 10% oder niedriger). Die umgekehrte Vorspannung erzeugt eine Umkehrung der Ladung über das isolierende Material. Diese Ansammlungen verhalten sich wie ein Kondensator, wobei das leitfähige Target eine Platte ist und das leitfähige Plasma die andere Platte ist. Die Umkehrspan­ nung wird lang genug (z. B. 2 µsec) beaufschlagt, so daß die Polarität der kapazitiven Ladung umgekehrt wird, bis zu -300 Volt, und zwar auf der Plasmaseite des Niederschlags.

Dann werden, wenn die normale oder negative Sputterspannung erneut angelegt wird, die Argonionen in dem Plasma vorzugsweise zu dem umgekehrt aufgeladenen, dielektri­ schen Material hin beschleunigt. Diese Ionen werden zu einer erhöhten Energie hin auf­ grund der zusätzlichen Potentialdifferenz beschleunigt.

Als eine Folge werden die Moleküle des Niederschlags zurück aus dem Target gesput­ tert. Dieser Prozeß ermöglicht auch, daß der aktive Sputteroberflächenbereich des Tar­ gets so groß wie möglich verbleibt.

Dieser bevorzugte Sputterprozeß reinigt auch andere isolierende Kontaminierungsbe­ standteile von der Oberfläche des Targets, ob es nun für ein reaktives Sputtern oder ein herkömmliches Sputtern verwendet wird.

Obwohl der vorstehend erwähnte, bevorzugte Sputterprozeß stark bevorzugte Ergebnis­ se auf dem Gebiet einer gepulsten DC-Energie erreicht hat, können zusätzliche Proble­ me entstehen, die diese Technik nicht lösen kann. Zum Beispiel können durch Partikel hervorgerufene Beschädigungen an der Oberfläche des Targets Anlaß zu einem durch einen mechanischen Vorgang hervorgerufene Lichtbogen geben, das bedeutet, anhal­ tende Lichtbogen-Probleme, die sich nicht selbst unmittelbar dann lösen, wenn die Um­ kehr-Vorspannung angelegt wird. Auch kann ein extremer Spannungszustand existie­ ren, zum Beispiel dann, wenn dort zu wenig Gas vorhanden ist, um ein Plasma zu stüt­ zen. In den meisten Fällen wird ein Lichtbogen oder ein Überspannungszustand sich selbst in einem einzelnen Zyklus der beaufschlagten, gepulsten Spannung beseitigen. Allerdings müssen dort, wo die Umkehr-Vorspannungs-Spannung das Problem nicht be­ seitigt, einige zusätzliche Schritte vorgenommen werden, um eine Beschädigung entwe­ der des Werkstücks, der Plasmazelle oder der Energieversorgung zu verhindern. Aller­ dings ist kein derzeitiges System in der Lage, in Verbindung mit der mit Umkehr-Vor­ spannung gepulsten Energieversorgung zu arbeiten und auf ein Erfassen und Reagie­ ren entweder eines andauernden Lichtbogens (ein anhängender Lichtbogen oder ein Vielfach-Aufschlag-Lichtbogen) oder eines Überspannungszustand hin zu arbeiten.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Sputtern oder einen anderen Plasmakammer­ betrieb in einer Weise zu verstärken, die einen Lichtbogen- oder Überspannungszu­ stand erfaßt und sich damit befaßt, und die die Probleme nach dem Stand der Technik vermeidet.

Es ist eine andere Aufgabe, einen Sputtervorgang unter Bedingungen auszuführen, der durch einen mechanischen Vorgang hervorgerufene Lichtbogen- und Überspannungs­ zustände erfaßt und der automatisch Schritte vornimmt, um solche Zustände zu beenden.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mechanisch hervorgeru­ fenen Lichtbogen und eine Überspannung daran zu hindern, daß sie Komponenten der Plasmaenergieversorgung beschädigen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein gepulster DC-Sputterprozeß durch Absputtern von Targetmaterial von einem leitfähigen Target in einer Plasmakam­ mer durchgeführt. Eine DC-Spannung wird zwischen dem Target und einer Anode in der Plasmakammer angelegt, was bewirkt, daß Edelgasionen, die in der Kammer vorhanden sind, auf das Target aufprallen. Die Edelgasionen sputtern Atome von dem Targetmate­ rial weg. Die DC-Energieversorgung legt eine Impulswellenform an das Target unter einer vorbestimmten Rate an. Jeder Zyklus der Impulswellenform umfaßt einen negati­ ven Spannungsimpulsbereich unter einem vorbestimmten, negativen Spannungspegel, z. B. -300 bis -700 Volt, und eine erste Impulsbreite, und einen positiven Spannungspe­ gel relativ zu der Anode, z. B. +50 bis +300 Volt, und unter einer vorbestimmten zweiten Impulsbreite.

Ein Überspannungsfühlschaltkreis, der einen Stapel oder eine Reihe Zener-Dioden auf­ weisen kann, erfaßt, wenn die angelegte Spannung einen vorbestimmten, negativen Spannungspegel übersteigt. Normalerweise wird sich ein Überspannungszustand selbst in einem Zyklus durch Wirkung des Umkehr-Vorspannungs-Impulses beseitigen. Aller­ dings wird, wenn der Überspannungszustand für zwei aufeinanderfolgende Zyklen be­ steht, die Spannungsversorgung für eine gewisse, vorbestimmte Zeitperiode unterbro­ chen werden. Die Kette Zener-Dioden blockiert bzw. klemmt irgendwelche Spannungs­ überschüsse auf einen maximalen Pegel, um Schalttransistoren in der Energieversor­ gung zu schützen.

Die angelegte Spannung wird auch kontinuierlich auf einen mechanisch hervorgerufe­ nen Lichtbogen-Zustand überwacht. Um dies vorzunehmen, wird die angelegte Span­ nung während einer Fensterperiode bei ungefähr 80% der Impulsbreite des negativen Impulsbereichs jedes Zyklus abgefragt. Typischerweise wird ein Plasma einen Span­ nungsabfall von einigen hundert Volt produzieren, wogegen der Spannungsabfall sehr klein ist, wenn ein Lichtbogen auftritt, typischerweise ein paar Volt bis zwanzig Volt, oder dergleichen. Demgemäß wird während der Fensterperiode die angelegte Span­ nung überwacht, um zu bestimmen, wann sich die Spannung in einem niedrigen Span­ nungsbereich, der charakteristisch für einen Lichtbogen ist, befindet. Wenn der niedrige Spannungszustand für zwei Zyklen in Folge vorhanden ist, dann wird die DC-Energie­ versorgung für eine gewisse Zeitperiode, von einigen Mikrosekunden bis einige Millise­ kunden, unterbrochen, um den Lichtbogen zu beseitigen.

Alternativ kann die Unterbrechung initiiert werden, wenn ein Überspannungs- oder Licht­ bogen-Zustand für einen Zyklus, drei Zyklen oder eine bestimmte andere Zahl von Zy­ klen in Folge vorhanden ist.

Wenn diese Technik verwendet ist, vermeidet der Sputterprozeß die Probleme, die ei­ nem Lichtbogen zugeordnet sind, wie beispielsweise eine Lichtbogen-Beschädigung in Bezug auf das Substrat und Partikel in der gesputterten Beschichtung. Die Technik ver­ hindert auch eine Beschädigung an der Plasmakammer und an der Energieversorgung und an der Impulsgebereinheit. Dasselbe Element erfaßt sowohl den Überspannungs- Zustand und blockiert irgendeine Überspannung, um die Ausrüstung zu schützen. Die Verbesserung dieser Erfindung erfaßt verschiedene Typen von Erscheinungen und be­ seitigt sie, um den Qualitätsgrad der Beschichtung auf dem Substrat zu verbessern.

Die vorstehenden und viele Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden sollte.

Fig. 1 zeigt eine Schaltkreis-Schematik einer sputternden Energieversorgung mit einer mechanischen Lichtbogen- und Überspannungserfassung gemäß einer Ausführungs­ form dieser Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Schaltkreis-Schematik eines Steuerschaltkreises dieser Ausführungs­ form zum Unterbrechen der Energieversorgung unter erfaßten Zuständen eines mecha­ nisch hervorgerufenen Lichtbogens oder einer Überspannung.

Fig. 3A bis 3E zeigen Wellendiagramme zum Erläutern der Betriebsweise dieser Ausführungsform.

Wie die Figuren, und zunächst die Fig. 1, zeigen, setzt eine gepulste DC-Sputteranord­ nung eine DC-Plasma-Energieversorgung 10 ein, um DC-Energie zu einer Plasmakam­ merlast 12 zuzuführen. Plasmakammern dieses Typs sind ausreichend bekannt und die­ selben sind im Detail zum Beispiel in der veröffentlichten EPA-Anmeldung 0692 550 A1 mit dem Titel "Preferential Sputtering of Insulators from Conductive Targets" beschrie­ ben und die unter Bezug darauf hier eingeschlossen wird. In diesem Beispiel besitzt die DC-Versorgung einen positiven Anschluß 14 und einen negativen Anschluß 16, wobei Energie einer ausgewählten DC-Spannung, z. B. zwischen 300 Volt und 700 Volt, zuge­ führt wird. Mit der Energieversorgung 10 ist ein Umkehr-Impuls-Generator 18, der hier so dargestellt ist, daß er eine Umkehrvorspannungsquelle 20, einen FET 22, der als ein Schalter dient, und einen Steuerschaltkreis 24 zum Betätigen des Schalter-FET 22 um­ faßt, verbunden. Die Betriebsweise des Umkehr-Impuls-Generators ist auch in der vor­ stehend erwähnten Patentanmeldung beschrieben.

Ein Erfassungsschaltkreis 26 für einen mechanisch hervorgerufenen Lichtbogen ist mit dem Eingang der Plasmakammerlast 12 verbunden, um einen Spannungszustand, der charakteristisch für einen Lichtbogen ist, zu erfassen. Das bedeutet, daß unter Plasma­ bedingungen der Spannungsabfall über das Plasma in der Größenordnung von einigen hundert Volt sein wird. Allerdings erscheint ein Lichtbogen-Zustand als ein Kurzschluß­ schaltkreis über das Plasma und liefert einen Spannungsabfall von einigen Volt bis etwa 100 Volt. Um einen niedrigen Spannungszustand zu erfassen, umfaßt der Schaltkreis ei­ ne Reihe Widerstände 28a bis 28e, die als Spannungsteiler 28 dienen, und er ist mit ei­ nem Eingang eines Spannungskomparators 30 verbunden, dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannungsquelle 32, hier ein Spannungsteiler, verbunden ist. Ein Aus­ gang des Komparators 30 wird zu einer Opto-Übertragungseinrichtungsvorrichtung 34, die hier als eine LED dargestellt ist, zugeführt.

Ein Überspannungserfassungs- und Blockierschaltkreis 36, der auch mit dem Eingang der Plasmakammerlast 12 verbunden ist, umfaßt eine Kette bzw. einen String aus Ze­ ner-Dioden 38 in Reihe, wobei die Kette an einem Ende mit der positiven DC-Energie und an dem anderen Ende mit einem Überspannungs-Opto-Übertrager, der hier als eine LED 44 dargestellt ist, einem Kondensator 20, einer eine Schutzspannung begrenzen­ den Zener-Diode 42 und einem Widerstand verbunden ist. Die Zener-Dioden 38 sind so ausgewählt, daß die Summe deren Umkehr-Durchbruchsspannungen gleich einem vor­ bestimmten Überspannungsschwellwert ist. Eine alternative Spannungsbegrenzungs­ technologie könnte anstelle der Zener-Dioden eingesetzt werden, z. B. MOV′s. Der Kon­ densator 40, die Zener-Diode 42 und die LED 44 verbinden sich mit einer negativen DC (-Schiene), die als ein momentaner Stromverbraucher für irgendwelche extremen Span­ nungsausschläge dienen. Immer wenn die Spannung an dem Eingang zu der Last 12 diesen Schwellwert übersteigt, wird Strom durch die Kette 38 und durch die LED 44 flie­ ßen, um einen Überspannungszustand zu signalisieren. Auch blockiert die Zener-Di­ odenkette 38 irgendwelche Spannungsspitzen zu diesem Überspannungsschwellwert und schützt demzufolge den Impulsgeber 18 und die Energieversorgung 10 ebenso wie die Plasmakammer und das Substrat darin, das beschichtet werden soll.

Der Steuerschaltkreis 24 für die gepulste DC-Energieversorgung ist in weiterem Detail in Fig. 2 dargestellt. Ein Systemtaktschaltkreis 46 weist eine einstellbare Spannungsan­ stiegsquelle bzw. (lineare) Sägezahnspannungsquelle oder einen -generator 48, eine Referenzspannungsquelle 50 und einen Komparator 52, dessen Ausgang ein Taktsignal SYS CLOCK erzeugt, auf. Das Anstiegssignal von dem Anstiegsgenerator 48 wird zu ei­ nem Eingang eines Tastverhältnis-Komparators 54 zugeführt, dessen anderer Eingang mit einem Referenzspannungsteiler 56 gekoppelt ist. Der Ausgang dieses Komparators 54 liefert ein Impulssignal DUTY CYCLE, das die Impulsbreiten der positiven und nega­ tiven Bereiche des gepulsten DC-Energiezyklus regelt. Der Anstiegsgenerator 48 und der Referenzspannungsteiler 56 sind hier mit herkömmlichen (analogen) Komponenten ausgeführt dargestellt, allerdings sollte verständlich werden, daß diese digital ausge­ führt und mittels Software eingestellt werden könnten. Die Impulssignale SYS CLOCK und DUTY CYCLE werden zu Eingängen eines Schaltersteuerschaltkreises 60 oder Im­ pulsgebers zugeführt. Dies erzeugt ein Impulssignal, das zu einem Energieversorgungs­ steuerschaltkreis 62 zugeführt wird, und definiert die positiven und negativen Impulsbereiche der Impuls- und DC-Energie, wie dies z. B. in Fig. 3A dargestellt ist. Der Steuer­ schaltkreis 24 führt eine gesteuerte Anschnitts- bzw. Torschaltungsspannung zu dem Schalt-Transistor 22 (Fig. 1) zu.

Das Schaltkreisansprechverhalten zu einem mechanischen Lichtbogen ist auch in Fig. 2 dargestellt. Hier umfaßt ein Empfänger 66 für mechanisch hervorgerufene Lichtbogen einen Photosensor, der optisch mit einem Opto-Transmitter 34 gekoppelt ist, und in der Praxis können zwei Elemente zusammen als eine Opto-Isolator-Vorrichtung gepackt werden. Ein Ausgang des Empfängers 66 läuft zu einem Eingang eines Lichtbogen-Er­ fassungsschaltkreises 68. Ein Zeitabstimmungskomparator 72 wird mit dem Signal RAMP und einem Referenzpegel versorgt. Der Komparator 72 ist so vorgespannt, um einen Torschaltungsfensterimpuls 80% CLOCK zu liefern, wenn ein vorbestimmter Be­ reich des negativen Impulsbereichs (z. B. 80 Prozent) des gepulsten DC-Energiezyklus abgelaufen ist. Der Torschaltungsfensterimpuls 80% CLOCK wird zu einem anderen Eingang des Lichtbogenerfassungsschaltkreises 68 zugeführt. Der Ausgang des Lichtbogenerfassungsschaltkreises 68 geht zu hoch über, wenn, während das Auftreten des Torschaltungsfensters, die angelegte Spannung, die an der Plasmakammerlast 12 auftritt, weniger negativ als der vorbestimmte, negative Schwellwert ist. Der Lichtbo­ generfassungsausgang wird zu einem Lichtbogenfehlerzählerschaltkreis 70 zugeführt. Das Taktsignal SYS CLOCK wird zu einem Takteingang des Zählerschaltkreises 70 zu­ geführt. Wenn der Lichtbogenerfassungsausgang für zwei Zyklen in einer Reihe hoch verbleibt, wird ein Signal zu einem Zeitgeberschaltkreis 74 zugeführt. Der letztere wird betätigt, wenn der Ausgang des Lichtbogenfehlerzählers 70 hoch ist, und dies erzeugt ein Verhinderungssignal SD, das zu dem Schaltersteuerschaltkreis 60 und dem Ener­ gieversorgungssteuerschaltkreis 62 zugeführt wird. Der Effekt hiervon ist derjenige, die gepulste DC-Energie für eine Zeitperiode, wie beispielsweise 200 Mikrosekunden, zu unterbrechen, wenn eine Lichtbogenbildung in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der angelegten Energie erfaßt wird. Dies kann unter Bezugnahme auf die Fig. 3B und 3D er­ läutert werden.

Wie in Fig. 3B dargestellt ist, zeigt, während normaler, stabiler Zustände für jeden ins Negativ laufenden Impulsbereich, die angelegte Spannung einen negativen Überschuß und dann einen Anstieg bis zu dem nächsten, darauffolgenden Umkehr-Vorspannungs- (positiven) Impuls. In diesem Fall übersteigt der negative Impulsbereich immer ein paar hundert Volt, was typisch für einen Plasmazustand ist. Allerdings würden, wenn eine Lichtbogenbildung auftreten sollte, die Spannungspegel, die während des negativen Impulsbereichs der angelegten Spannung aufgetreten sind, sehr viel kleiner sein. Tatsäch­ lich würde ein Lichtbogen, der in der Plasmakammer 12 auftritt, als eine niedrige Impedanz oder ein Kurzschlußschaltkreis wirken und würde einen kleinen Spannungsabfall über die Kammer 12 liefern.

Wie nun auch die Fig. 3D und 3E zeigen, tasten der Erfassungsschaltkreis 34 für me­ chanisch hervorgerufene Lichtbogen, der Empfänger 66 und der zugeordnete logische und Zeitabstimmungsschaltkreis 68 bis 74 die angelegte Energie (Fig. 3D) während Auf­ tretungen der Torschaltungsfensterimpulse 80% CLOCK (Fig. 3E) ab. Wenn die ange­ legte Spannung zu diesem Zeitpunkt innerhalb eines Bereichs, der charakteristisch für eine Lichtbogenbildung ist, liegt, die weniger negativ als eine Schwellwertspannung -V_arc ist, dann leuchtet der Opto-Transmitter 34 und kommuniziert optisch mit dem Empfänger 66.

Wenn dies nur für einen einzelnen Zyklus auftritt, fährt die gepulste DC-Energie nor­ mal fort. In den meisten Fällen werden die Umkehr-Vorspannungs-Impulse irgendein Problem beseitigen und es ist kein Erfordernis vorhanden, die an die Plasmakammer angelegte Energie zu unterbrechen. Dies wird durch den zweiten und den dritten Zyklus, der in Fig. 3D gezeigt ist, dargestellt. Wenn nur ein einzelner Fall einer Lichtbogenbil­ dung auftritt, dann setzt sich der Lichtbogenfehlerzähler 70 zurück und der Ausgang verbleibt niedrig. Die Schwellwertspannung -V_arc kann z. B. 50 Volt, 100 Volt oder ein an­ derer, geeigneter Wert sein.

Allerdings wird, wenn eine Lichtbogenbildung während des Impulses 80% CLOCK für zwei Zyklen in Folge vorhanden ist, wie dies in dem vierten und fünften Zyklus, der in Fig. 3D dargestellt ist, angezeigt ist, gibt der Lichtbogenfehlerzähler 70 einen hohen Pe­ gel aus. Dies aktiviert den Zeitgeberschaltkreis 74, was den Steuerschaltkreis 60 und den Versorgungssteuerschaltkreis 62 (z. B. 24, Fig. 1) sperrt. Diese Wirkung schaltet ef­ fektiv die angelegte Energie für eine vorbestimmte Zeitperiode (vorzugsweise ein paar hundert Mikrosekunden) ab und legt eine Umkehrvorspannung für diese Periode an, um schnell den Lichtbogen aufzulösen. Danach kann die normal gepulste DC-Energie wie­ der aufgenommen und an die Plasmakammer angelegt werden.

In dieser Ausführungsform wird die DC-Energie abgeschaltet, wenn eine Lichtbogenbil­ dung in zwei Zyklen in Reihe vorhanden ist. Falls es bevorzugt ist, könnte der Schalt­ kreis so angeordnet werden, daß er eine Lichtbogenbildung über einen Zyklus, drei Zy­ klen in Folge, drei Zyklen von fünf, oder über irgendein anderes Schema erfordert.

Wie wiederum Fig. 2 zeigt, ist ein Überspannungsempfänger 76 mit der Überspan­ nungs-Transmitter-LED 44 optisch gekoppelt. Ein Ausgang des Empfängers 76 wird zu einem Ausgang eines Überspannungs-Fehler-Zählerschaltkreises 78 verbunden und das Taktsignal SYS CLOCK wird zu einem Takteingang davon zugeführt. Der Ausgang des Überspannungs-Fehler-Zählerschaltkreises 78 wird mit einem Eingang eines Über­ spannungs-Fehler-Zeitgeberschaltkreises 80 gekoppelt, wobei letzterer ein Unterbre­ chungssignal zu dem Schaltsteuerschaltkreis 60 (z. B. 24, Fig. 1) und dem Versorgungs­ schaltkreis 62 immer dann liefert, wenn ein Überspannungszustand für zwei Zyklen in Folge der angelegten Energie vorhanden ist. Das Zeitgeberschaltkreis-Unter­ brechungssignal kann eine typische Dauer von 200 Mikrosekunden haben. In dieser Ausführungsform geht der Überspannungs-Fehlerzähler zu hoch über, wenn er ein Überspannungssignal von dem Überspannungsempfänger 76 nach jedem von zwei auf­ einanderfolgenden Erscheinungen des Taktsignals SYS CLOCK empfängt, allerdings wird er niedrig unter allen anderen Zuständen verbleiben.

Eine Betriebsweise der Überspannungserfassungs- und -schutzanordnung kann unter Bezugnahme auf Fig. 3C erläutert werden. Wie zuvor erwähnt ist, ist ein negativer Spannungsüberschuß, der zu Beginn eines negativen Spannungsimpulsbereichs für je­ den Zyklus der angelegten Spannung auftritt, vorhanden. Dies ist in dem ersten Zyklus in Fig. 3C dargestellt und ist auch in ähnlicher Weise in Fig. 3B dargestellt. Die ange­ legte Spannung kann in dem Bereich von etwa minus 50 bis minus 4000 Volt liegen, und zwar in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und dem Plasmaprozeß, der einge­ setzt wird, und der zulässige Überschuß kann ein großer Bruchteil hiervon sein. Aller­ dings kann unter bestimmten Bedingungen das Plasma ausbrennen bzw. nachlassen, vorhanden zu sein, oder sich abnormal verhalten, und die Plasmakammerlast 12 kann eine infinite Impedanz darstellen. Dies kann einen klopfenden Zustand erzeugen. In die­ sem Fall werden, wie in dem zweiten oder dritten Zyklus in Fig. 3C dargestellt ist, Span­ nungsauswanderungen über den zulässigen Bereich hinaus auftreten. In diesem Fall kann die Zener-Kette 38 so ausgewählt sein, daß sie einen Überspannungsschwellwert V_ov in der Größenordnung von tausend bis ein paar tausend Volt besitzt. Wenn die an­ gelegte Spannung, die über die Last 12 erscheint, diesen Schwellwert V_ov übersteigt, wird der Überspannungs-Transmitter 34 erleuchtet und der Überspannungs-Empfänger 76 sendet einen hohen Pegel zu dem Überspannungs-Fehlerzähler 78. Wenn ein Über­ spannungszustand für nur einen einzelnen Zyklus vorhanden ist, fährt der Steuerschalt­ kreis 60 (24, Fig. 1) fort, zu normal zu schalten, und in den meisten Fällen wird sich das Überspannungsproblem selbst beseitigen. Allerdings kommuniziert, wenn der Überspan­ nungszustand für zwei Zyklen in Folge vorhanden ist, dann der Zeitgeber 80 einen Ver­ hinderungs- bzw. Sperr-Befehl SD sowohl zu dem Steuerschaltkreis 60 (24, Fig. 1) als auch zu der Versorgungssteuerung 62, und die angelegte Energie wird für die vorbe­ stimmte Zeit, die gerade vorstehend erwähnt ist, unterbrochen. Alternativ könnte die Energie unterbrochen und die Umkehrspannung für die Zeit der Aus-Periode angelegt werden. Hierbei wird wiederum in dieser Ausführungsform die Energie abgeschaltet werden, wenn ein Überspannungszustand für zwei Zyklen in Folge vorhanden ist, und der Impulsgeber wird auch in einem Aus-Zustand gehalten werden. In anderen mögli­ chen Ausführungsformen könnten andere Schemata verwendet werden, wie beispiels­ weise ein Zyklus, drei Zyklen in Folge, oder drei Zyklen von fünf.

Hier nimmt wiederum, wie bei der Erfassung der mechanisch hervorgerufenen Lichtbo­ gen und einen Schutz dafür, nach der Unterbrechungsperiode, wie sie durch den Zeit­ geberschaltkreis 80 bestimmt wird, der Steuerschaltkreis 24 (z. B. 60, Fig. 2) normale Betriebszustände an und erwartet das Auftreten von zwei aufeinanderfolgenden Zyklen mit Überspannungsauswanderungen oder zwei aufeinanderfolgende Zyklen mit einer Lichtbogenbildung.

Claims (9)

1. Gepulster DC-Sputterprozeß, wobei ein Targetmaterial von einem leitfähigen Tar­ get in einer Plasmakammer abgesputtert wird und das abgesputterte Material auf einem Substrat in der Kammer niedergeschlagen wird, in der eine angelegte DC- Spannung zwischen dem Target und einer Anode in der Kammer bewirkt, daß Edelgasionen, die in der Kammer vorhanden sind, auf das Target auftreffen, um Atome von dem Targetmaterial abzusputtern, wobei die angelegte Spannung eine Impulswellenform mit einer vorbestimmten Impulsrate besitzt, wobei jeder Zyklus davon einen negativen Vorwärts-Spannungsbereich unter einem vorbestimmten, negativen Pegel relativ zu der Anode und eine vorbestimmte, erste Impulsbreite, und einen positiven Umkehrspannungspegel relativ zu der Anode und eine vorbe­ stimmte zweite Impulsbreite besitzt; gekennzeichnet dadurch, daß die angelegte Spannung zwischen dem Target und der Anode automatisch hinsichtlich einer Überspannung überwacht wird, und, falls die angelegte Spannung einen vorbe­ stimmten, negativen Überspannungsschwellwert während des negativen Span­ nungsbereichs über eine vorbestimmte Vielzahl aufeinanderfolgender Zyklen über­ steigt, dann automatisch die angelegte DC-Spannung unterbrochen wird; und daß die angelegte Spannung zwischen dem Target und der Anode hinsichtlich einer Lichtbogenbildung an einem vorbestimmten Fensterintervall während jedes negati­ ven Impulsbereichs überwacht wird, und falls die angelegte Spannung in einem Bereich einer Charakteristik von Spannungen einer Lichtbogenbildung in dem Fen­ sterintervall über eine vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgenden Zyklen liegt, dann automatisch die angelegte DC-Spannung unterbrochen wird.

2. Gepulster DC-Sputterprozeß nach Anspruch 1, der weiterhin dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß der Schritt eines Überwachens der angelegten Spannung hin­ sichtlich einer Überspannung ein Blockieren der angelegten Spannung an dem Überspannungsschwellwert umfaßt, wenn die angelegte Spannung den Schwell­ wert erreicht oder ihn übersteigt.

3. Gepulster DC-Sputterprozeß nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß für den Schritt eines Erfassens der angelegten Spannung hinsichtlich einer Überspannung die vorbestimmte Mehrzahl von Zyklen zwei Zy­ klen in Folge beträgt.

4. Gepulster DC-Sputterprozeß nach Anspruch 1, 2 oder 3, der weiterhin dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß für den Schritt eines Erfassens der angelegten Spannung für eine Lichtbogenbildung die vorbestimmte Mehrzahl von Zyklen zwei Zyklen in Fol­ ge ist.

5. DC-Plasma-Anordnung für ein DC-Sputtern, wobei eine Plasmakammer eine An­ ode, ein Substrat und ein Target aufnimmt und das Targetmaterial von dem Target abgesputtert und auf dem Substrat niedergeschlagen wird, wobei eine gepulste DC-Energieversorgung (10) zu dem Target eine angelegte, negative Spannung un­ ter einem vorbestimmten Pegel liefert, was bewirkt, daß ein Plasma aus Edelgasio­ nen in der Kammer auf das Target mit einer ausreichenden Energie auftrifft, um Targetmaterial von dem Target derart freizugeben, daß sich das Targetmaterial selbst auf dem Substrat niederschlägt, die einen periodischen Umkehrvorspan­ nungsschaltkreis (18, 24) zum Anlegen der negativen Spannung an das Target un­ ter dem vorbestimmten Pegel für Impulsintervalle einer vorbestimmen Impulsdauer und Anlegen von Impulsen einer positiven Spannung an das Target relativ zu der Anode zwischen den Auftretungen der negativen Spannung umfaßt, so daß be­ nachbarte Impulse der negativen Spannung und der positiven Spannung einen Zy­ klus definieren, der eine vorbestimmte Impulsrate besitzt; und gekennzeichnet ist dadurch, daß eine Überspannungsschutzanordnung (36) die angelegte Spannung zwischen dem Target und der Anode überwacht, und falls die angelegte Spannung einen vorbestimmten negativen Überspannungsschwellwert während des negati­ ven Spannungsbereichs über eine vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Zy­ klen übersteigt, er dann automatisch die DC-Spannung unterbricht; und daß eine Lichtbogen-Beseitigungsanordnung (26, 28, 30, 32, 34) die angelegte Spannung zwischen dem Target und der Anode hinsichtlich einer Lichtbogenbildung an ei­ nem vorbestimmten Fensterintervall während jedes negativen Impulsbereichs über­ wacht, und falls die angelegte Spannung in einem Bereich von Spannungen, die charakteristisch für eine Lichtbogenbildung sind, in dem Fensterintervall über eine vorbestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Zyklen liegt, dann die Lichtbogen- Beseitigungsanordnung automatisch die DC-Spannung unterbricht und eine Um­ kehr-Vorspannungs-Spannung an das Target für eine verlängerte Zeitperiode anlegt.

6. DC-Plasma-Anordnung nach Anspruch 5, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die Überspannungs-Schutzanordnung einen Blockierschaltkreis (42) zum Blockieren der angelegten Spannung an dem Überspannungsschwellwert umfaßt, wenn die angelegte Spannung den Schwellwert erreicht oder übersteigt.

7. DC-Plasma-Anordnung nach Anspruch 6, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die Überspannungs-Schutzeinrichtung einen Reihenstapel aus Zener-Di­ oden (38) umfaßt, die zwischen Ausgangsanschlüssen der gepulsten DC-Energie­ versorgung verbunden sind.

8. DC-Plasma-Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, die weiterhin dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Überspannungs-Schutzanordnung einen Opto-Transmitter (44), der zwischen dem Stapel Zener-Dioden (38) und einer Stromsenke verbun­ den ist, einen Opto-Empfänger (76), der optisch mit dem Transmitter (44) verbun­ den ist, und eine Schaltkreisanordnung (78, 80), die durch den Opto-Empfänger betätigt wird, um die DC-Energieversorgung zu unterbrechen, wenn der Opto-Emp­ fänger eine Überspannung für die Anzahl aufeinanderfolgender Zyklen anzeigt, umfaßt.

9. DC-Plasma-Anordnung nach einem der Ansprüche 5-8, die weiterhin dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß eine Lichtbogenbeseitigungsanordnung einen Spannungs­ komparator (30), der einen Ausgang und Eingänge besitzt, die mit einem Ausgang der DC-Energieversorgung und mit einer Referenzspannungsquelle (32) gekoppelt sind, einen Opto-Transmitter (34), der durch den Ausgang des Komparators (30) angesteuert ist, einen Opto-Empfänger (66), der optisch mit dem Transmitter (34) verbunden ist, einen Fenster-Zeitgeber (72) zum Erzeugen eines Fenstersignals während des vorbestimmten Fensterintervalls für jeden negativen Impulsbereich jedes Zyklus, einen logischen Schaltkreis (68-74), der mit dem Opto-Empfänger und dem Fenster-Zeitgeber (72) zum Erfassen, ob die charakteristische Spannung während des Fensterintervalls für die vorbestimmte Anzahl von Zyklen vorhanden ist, und eine Unterbrecheranordnung (60, 62), die mit dem logischen Schaltkreis (68-74) zum Unterbrechen der DC-Energieversorgung gekoppelt ist, wenn die cha­ rakteristische Spannung während des Fensterintervalls für die vorbestimmte An­ zahl von Zyklen vorhanden ist, umfaßt.