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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sputteranlage, insbesondere eine Magnetronplasmaanlage, die zwei Spannungsquellen aufweist, deren Ausgänge über jeweils eine Brücke miteinander parallel geschaltet sind.
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Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sputteranlage, insbesondere eine Magnetron-Sputteranlage zu schaffen, die eine variable Ansteuerung der Anlage zur Erzielung unterschiedlich ausgebildeter Plasmen mit vergleichsweise einfachen Mitteln ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anlage gemäß Anspruch 1 und Anspruch 7 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Sputteranlage umfasst eine erste Spannungsquelle und eine zweite Spannungsquelle, deren zwei Ausgänge über jeweils eine Brücke miteinander parallel geschaltet sind. In einer der beiden Brücken sind zwei gegeneinander geschaltete Dioden angeordnet, zwischen denen ein erster Abgriff für die Stromzufuhr in die Plasmakammer angeordnet ist. Der zweite Abgriff für die Stromzufuhr in die Plasmakammer ist mit der anderen Brücke verbunden. Alternativ dazu sind die beiden Spannungsquellen oder diesen nachgeordnete elektronische Schalter, durch welche die Spannungsquellen geschaltete werden, durch eine gemeinsame Steuerung synchronisiert angesteuert.
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Durch diese sehr einfache Anordnung lässt sich erreichen, dass von den beiden Spannungsquellen lediglich die Spannungsquelle mit einem Signal höherer Spannung durchgeschaltet wird, während die andere Spannungsquelle in dieser Zeit gesperrt wird. Durch entsprechende Ansteuerungen der Spannungsquellen lassen sich somit Pulsmuster unterschiedlicher Höhe erzeugen. Selbstverständlich lassen sich statt zwei Spannungsquellen auch drei oder mehr Quellen auf diese Weise verbinden, wobei in der einen Brücke zwischen jeweils zwei Spannungsquellen die Diodenschaltung vorzusehen ist und die Abgriffe der Dioden dann wiederum über eine Diodenschaltung zusammenzuführen sind, bis lediglich noch ein einziger Abgriff erhalten wird. Es lassen sich alle Arten von Pulsmustern mit Gleichspannungs- und Impulsanteilen, Schwebungen zwischen zwei Spannungsverläufen etc. erzielen.
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Die erfindungsgemäße Anlage fuhrt durch ihre Variabilität zu wesentlich besseren Ergebnissen beim Sputtern, insbesondere Magnetron-Sputtern vor allem unter Anwendung des HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering) und HIPIMS(High Impact Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahrens.
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Der Einsatz der Erfindung ist auch für weitere Plasmaverfahren wie z.B. PACVD, Plasma-Nitrieren, PVD-ARC (Bogenverdampfer), Plasma-Ätzen, Pulsplating, atmosphärisches Plasma vorteilhaft.
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Vorzugsweise ist die eine Spannungsquelle eine regelbare DC-Spannungsquelle und die andere Spannungsquelle eine regelbare DC- oder Pulsspannungsquelle. Auf diese Weise lassen sich mit einfachen Mitteln Pulsmuster relativ beliebiger Art erzeugen, die zu unterschiedlicher Ausbildung des Plasmas in der Plasmakammer führen. Da zumindest eine, vorzugsweise beide Spannungsquellen beliebig regelbar sind, können durch entsprechende Ansteuerung der Spannungsquellen, zur Erzeugung kombinierter Rechteck-, Sägezahn-, und/oder Sinusspannungen beliebige Impulsmuster erzeugt werden.
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Vorzugsweise können auch eine oder beide Spannungsquellen durch eine Spannungsquelle gebildet sein, wie sie in der
DE 100 18 879 beschrieben ist, bei welcher Spannungsquelle wiederum zwei regelbare Gleichstromnetzteile über eine Brückenschaltung von elektrischen Leistungsschaltern miteinander verbunden sind. Eine derartige Spannungsquelle ist in der Lage, Pulsmuster unterschiedlicher Amplitude in beide Richtungen und beliebiger zeitlicher Steuerung zu erzeugen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist wenigstens eine Spannungsquelle für die Stromzufuhr in eine Plasmakammer vorgesehen, beispielsweise die Spannungsquelle, die aus der
DE 100 18 879 bekannt ist. Die Plasmakammer hat eine oder mehrere Kathoden die mit einer jeweiligen Anode umgeben sind. Die Anode kann durch einen Schalter und/oder eine Diode mit einem auf einem fest definierten Potential liegenden Anschluss verbunden werden. Ein derartiger Anschluss kann beispielsweise das auf Massepotential liegende Gehäuse der Plasmakammer sein, die leitend mit dem Massepotential der Spannungsquelle verbunden ist.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, das Potential der Anode von Floating (ohne festen Potentialbezug) auf ein festes Potential zu ziehen, wodurch ganz erheblich Einfluss auf die Plasmaausbildung genommen wird. Vorzugsweise lässt sich der Schalter über eine Steuerung steuern, über welche auch die Spannungsquelle gesteuert wird, so dass die Beeinflussung des Plasmafeldes in der Plasmakammer durch die Betätigung des Schalters in der Gesamtansteuerung der Anlage berücksichtigt werden kann. Auf diese Weise kann in sehr starkem Masse Einfluss auf das Beschichtungsergebnis in der Sputter- oder Plasmaanlage genommen werden.
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Durch beide oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnungen lassen sich das Plasma und die Abscheidung in einer Sputteranlage, insbesondere Magnetron-Beschichtungsanlage oder Arc-Verdampfer sehr individuell auf unterschiedliche Targets, Substrate und deren Geometrien einstellen.
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Es kann auch vorgesehen sein, die Diode und einen Schalter parallel oder in Serie zwischen der Anode und dem definierten Potential, z.B. der Masse, zu schalten.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind in einer Plasmakammer zwei Anoden angeordnet. Jede der Anoden ist mit jeweils einer Brücke der parallel geschalteten Spannungsversorgungen verbunden. Vorzugsweise sind die Anoden zusätzlich über Schalter mit Masse verbunden. Die Spannungsquellen sind hierbei vorzugsweise durch Spannungsquellen gebildet, die jeweils zwei Netzteile aufweisen, die über eine Brückenschaltung von Leistungshalbleitern miteinander verbunden sind, um auf diese Weise Stromimpulse in beide Richtungen mit zwei unterschiedlichen Amplituden abgeben zu können. Vorzugsweise sind diese Spannungsquellen miteinander über eine gemeinsame Steuerung synchronisiert.
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Eine der beiden Spannungsquellen kann auch durch eine Wechselspannungsquelle gebildet sein, die wie folgt ausgebildet ist. Durch eine regelbare DC-Spannungsquelle wird ein Rechteckimpuls in positiver und anschließend negativer Richtung erzeugt. Dieser eine Periode bildende Rechteckverlauf wird über einen Transformator in eine volle Sinuswelle höherer Amplitude gewandelt. Diese Sinusspannung höherer Amplitude wird einem Gleichrichter zugeführt. Dessen Ausgang bildet den Ausgang der einen Spannungsquelle und wird wiederum mit der anderen Spannungsquelle verbunden, wobei jede der Verbindungsbrücken mit einer Stromzuführung für die Plasmakammer verbunden ist. Eine der beiden Abgriffe für die Plasmakammer kann sich in der Mitte einer Diodenschaltung befinden, die aus entgegengesetzt geschalteten Dioden besteht. Auf diese Weise wird erreicht, dass jeweils nur der Impuls von der Spannungsquelle höherer Amplitude durchgeschaltet wird, wohingegen die andere Spannungsquelle gesperrt wird. Alternativ oder zusätzlich hierfür können selbstverständlich die Spannungsquellen auch über eine gemeinsame Steuerung synchronisiert werden.
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Die letztgenannte Anordnung wird vorzugsweise derart betrieben, dass jeweils immer nur vollständige Sinusperioden generiert werden, was dazu führt, dass der Transformator niemals in eine Sättigung hineinläuft, wie es der Fall sein könnte, wenn ein Impuls nur über eine Halbwelle abgegeben wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Plasmakammer zusätzlich zu dem Magnetron noch eine elektrisch leitfähige Substrathalterung angeordnet, die gegenüber der Plasmakammer isoliert aufgebaut ist und auf eine (Bias)Vorspannung gehalten wird, welche Vorspannung mit den Impulsen des Magnetrons derart synchronisiert wird, dass die Vorspannung zeitlich maximal nur während der Pulsdauer, vorzugsweise im späteren oder End-Bereich der Pulsdauer zugeschaltet wird.
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Für spezielle Anwendungen ist es auch denkbar, das die Bias Spannungsimpulse überlappend in der OFF-Zeit (TOT-Zeit) des Magnetron-Impulses wirksam sind. Gegebenenfalls können sie auch nur in der TOT-Zeit zugeschaltet werden.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass aufgrund der hohen Pulsstärken des Magnetrons auftretende Ionen der abgesputterten Materialien wirkungsvoll an dem auf dem Substratteller aufliegenden Substrat abgeschieden werden können.
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Auch bei diesem Magnetron kann die Anode wiederum über Schalter und/oder Dioden mit der Plasmakammer kurzgeschlossen sein. Durch die mit dem Magnetronimpuls synchronisierte Vorspannung ist es möglich, den Zeitpunkt der Ionisierung eines abgesputterten Materials gegen Ende des Magnetronimpulses für eine schnellere und gezieltere Ablagerung der Ionen auf dem Substrat zu nutzen.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, beliebige frei definierbare Impuls- und Spannungsmuster für eine Oberflächenbehandlungsanlage, z.B. Magnetron-Plasma- oder Arc-Verdampfer-Anlage, bereitzustellen, die sowohl in ihrer Pulsform als auch in ihrer Orientierung und Frequenz frei einstellbar sind. Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnungen beschrieben. In dieser zeigen:
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1 einen Schaltplan einer Spannungsversorgung, die Gleichspannungspulse unterschiedlicher Amplitude in beide Richtungen abgeben kann,
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1a, 1b eine schematische Darstellung der Spannungsquelle aus 1, wie sie in den nachfolgenden Figuren verwendet wird,
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2 ein Schaltbild einer Magnetron-Plasmaanlage mit zwei Spannungsquellen, die parallel geschaltet sind, wobei der Abgriff Diodenkammer über eine Diodenstrecke erfolgt,
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2a bis 2f die Spannungsverläufe am Ausgang der beiden Spannungsquellen und den Spannungsverlauf an der Plasmakammer,
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3 eine Magnetron-Plasmaanlage gemäß 2, bei der die zweite Brücke offen ist, und die entsprechenden Ausgänge der beiden Spannungsquelle auf Masse der Plasmakammer und auf der Anode liegen,
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4 eine Magnetron-Plasmaanlage mit zwei parallel geschalteten Spannungsquellen die über eine zentrale Steuerung synchronisiert angesteuert werden,
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4a, 4b die zeitlichen Spannungsverläufe an der Plasmaanlage aus der Stromversorgung nach 4,
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5 eine Magnetron-Plasmaanlage mit einer Stromversorgung, die eine Gleichspannungsquelle und eine Spannungsquelle zur Erzeugung einer Sinusspannung aufweist,
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5a den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Plasmaanlage,
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6 eine Dual-Magnetron-Plasmaanlage mit zwei Kathoden, die floatend geschaltet sind,
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6a den zeitlichen Verlauf der Spannung der Stromversorgung aus 6,
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7 eine Magnetron-Plasmaanlage bei welcher zusätzlich ein Substrathalter vorgesehen ist, der bezüglich der Plasmakammer unter einer Vorspannung steht, welche in Synchronisation mit Hochstromimpulsen der Magnetron-Plasmaanlage angesteuert wird,
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8 eine Dual-Magnetron-Sputteranlage mit Spannungsquellen, die über elektronische Schalter gesteuert werden,
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8a eine mit der Dual-Magnetron-Sputteranlage aus 8 erzeugbares Pulsmuster,
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9 eine Dual-Magnetron-Sputteranlage mit drei Spannungsquellen zur Erzeugung interferierender Pulsmuster unterschiedlicher Frequenz und Orientierung,
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9a–9d interferierende Pulsmuster, die mit der Anlage nach 9 erzeugbar sind, und
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10 eine Oberflächenbehandlungsanlage für Substrate mit einer oder mehreren Anoden/Kathodenpaarungen, Ionenkonzentrationserfassung im Plasmaraum und zentraler Steuerung und Regelung.
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Identische oder funktionsgleiche Teile sind in den Figuren mit den identischen Bezugszeichen versehen. Das der Plasmakammer überlagerte Magnetfeld des Magnetrons ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die in den Figuren gezeigten Beispiele sind für jede Art von Oberflächenbehandlungsanlage geeignet, auch wenn nur die Anwendungen Magnetron-Plasma-Anlage oder Arc-Verdampfer genannt sind.
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1 zeigt ein Stromversorgungsgerät 10 für eine Plasmaanlage mit zwei Gleichstromnetzteilen DC1, DC2, deren Ausgänge durch Kondensatoren C1, C2 zum einen stabilisiert sind. Diese Kapazitäten stellen jedoch aufgrund ihrer hohen Kapazität von z.B. 1000 bis 10.000 µF bei Spannungen zwischen 200 und 2000 V die notwendige Ladung zur Erzielung der geforderten Impulsströme zur Verfügung, die zum Erreichen eines gewünschten Ionisierungsgrades in einer Plasmakammer bisweilen erwünscht ist. An dem Gleichstromnetzteil DC1 liegt die Spannung V1 an, während am Gleichspannungsnetzteil DC2 die Spannung V2 anliegt. Der positive Ausgang des ersten Gleichspannungsnetzteils DC1 ist über eine Serienschaltung zweier Leistungstransistoren T1, T4 mit dem negativen Ausgang des Gleichspannungsnetzteils DC2 verbunden. In gleicher Weise ist der negative Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils DC1 über eine Serienschaltung von zwei Leistungstransistoren T2, T3 mit dem positiven Ausgang des zweiten Gleichstromnetzteils DC2 verbunden. Die einer Plasmaanlage zugeleiteten Ausgänge greifen in der Mitte zwischen den Serienschaltungen T1 T4, T2 T3 ab und sind durch Induktivitäten L1, L2 hinsichtlich der Stromdynamik begrenzt, um sowohl die elektronischen Leistungsschalter als auch die Plasmaanlage selbst und die darin befindlichen Substrate SU zu schützen. In den Ausgang des Stromversorgungsgerätes ist noch ein Stromaufnehmer SA geschaltet, dessen Ausgangssignal einer nicht dargestellten Steuerung zur Ansteuerung der Leistungsschalter T1 bis T4 zugeführt wird, um somit eine Regelung, d.h. eine Feedback-geregelte Steuerung zu realisieren.
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Die Anordnung zweier Brücken S1, S2 zwischen den positiven Ausgängen als auch den negativen Ausgängen der beiden Gleichspannungsnetzteile DC1, DC2 ermöglicht den Betrieb des Stromversorgungsgerätes nach herkömmlicher Art mit allerdings identisch großen Amplituden für die negativen und positiven Stromimpulse. Es lassen sich beispielsweise folgende Betriebsarten einstellen:
Gleichspannung DC + wenn T1 und T2 geschlossen sind, während T3 und T4 geöffnet sind. Gleichspannung DC –, wenn T3 und T4 geschlossen sind, während T1 und T2 geöffnet sind. Unipolar plus gepulst UP +, wenn T1 und T2 gepulst sind, während T3 und T4 geöffnet sind. Unipolar negativ gepulst UP –, wenn T3 und T4 gepulst sind, während T1 und T2 geöffnet sind. Bipolar gepulst BP, wenn T1 und T2 alternativ mit T3 und T4 getaktet werden. Selbstverständlich lassen sich auch die Schalter S1, S2 in den Brücken von der Steuerung der Spannungsquelle ansteuern, wodurch man die Betriebsmodi zur Erzielung eines gewünschten Plasmas elektronisch gesteuert schalten kann. Durch Betätigung der Schalter S1, S2 in den Brücken lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi mit symmetrischen oder asymmetrischen Spannungsimpulshöhen ermöglichen.
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Eine derartige Spannungsquelle eignet sich sehr gut als wenigstens eine regelbare von zwei Spannungsquellen zur Erzeugung von Gleichspannung oder hohen Impulsspannungen.
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Beim Betrieb der Spannungsquelle 10 mit geöffneten Schaltern S1, S2 wird das in 1a dargestellte Schaltbild verwendet, wobei die Gleichspannungsquellen DC1 und DC2 die beiden Gleichspannungsquellen DC1, DC2 aus 1 beschreiben. Beim Betrieb mit geschlossenen Schaltern, z.B. zur Erzeugung von Hochstromimpulsen, für die beide Gleichspannungsquellen DC1, DC2 benötigt werden, wird das in 1b dargestellte Schaltbild verwendet, wobei klargestellt ist, dass sich in einem Magnetron-Sputterverfahren die Spannungsquelle 10 aufgrund der elektronischen Ansteuerung der Schalter S1, S2 auch in beiden Betriebsmodi fahren lässt, d.h. ein Umschalten während des Sputter-Vorgangs erfolgen kann. Die Schalter S1, S2 können auch als einfache Brücken ausgeführt sein um einen symmetrischen und asymmetrischen Betriebsmodus zu ermöglichen. In 1b bezeichnet DC1 somit die Parallelschaltung von DC1 und DC2 oder stellt nur eine DC Spannungsversorgung dar.
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In 1a symbolisiert den Anschluss von zwei DC-Spannungsquellen (DC1; DC2) wo bei S1 und S2 in 1 geöffnet sind. Hinsichtlich 1b ist S1 und S1 in 1 geschlossen und nur eine DC Spannungsquelle DC1 angeschlossen ist. Gegebenenfalls kann zur Leistungserhöhung DC2 parallel geschaltet werden.
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2 zeigt eine Parallelschaltung dieser Spannungsquelle 10 mit einer Gleichspannungsquelle 12, deren Ausgänge über zwei Brücken 14, 16 parallel geschaltet sind. In der ersten Brücke 14 sind zwei gegeneinander geschaltete Dioden D1, D2 angeordnet, in deren Mitte der Abgriff 18 für die Kathode 20 der Plasmakammer 22 ist. Eine die Kathode 20 umgebende Anode 24 ist zudem über einen Schalter Sm1 mit dem Gehäuse 26 der Plasmakammer 22 verbindbar, die auf dem gleichen Potenzial wie die Masse der beiden Spannungsquellen 10, 12 liegt. Mit der gezeigten Anordnung lassen sich beliebige Impulsmuster erzeugen, bei denen eine Gleichspannung Udc1 von der Spannungsquelle 10 einer Pulsspannung Udc2 von der Spannungsquelle 10 überlagert ist. Durch die Betätigung des Schalters Sm1, vorzugsweise in Synchronisation mit der Ansteuerung der Spannungsquellen 10, 12, lässt sich eine starke Veränderung der Plasmabildung in der Kammer 22 erzielen.
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Die 2a zeigt die von der Spannungsquelle 12 erzeugte Gleichspannung, während 2b das von der Spannungsquelle 10 erzeugte Impulsmuster zeigt. Durch die Dioden D1, D2 wird ein Impulsmuster (2c) an den Stromversorgungs-Eingängen 21, 23 der Plasmakammer 22 erreicht, welches einer Überlagerung der beiden Spannungsmuster aus 2a und 2b erzielt. Dies beruht darauf, dass die Dioden die höhere Spannung von den beiden Spannungsquellen durchlassen, wohingegen das geringere Spannungssignal gesperrt wird.
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Beispiele aus einer Vielzahl von langsamen Funktions-Verläufen f(t)* sind in den 2d bis 2f gezeigt, die sich mit der Anlage nach 2 realisieren lassen.
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3 zeigt eine zu 2 weitgehend identische Anlage 30. Der Unterschied zu 2 besteht darin, dass die zweiten Ausgänge der Spannungsquelle nicht wie in Fig. mit der zweiten Brücke 16 verbunden sind, sondern der zweite Ausgang 33 der Spannungsquelle 12 ist mit der Anode 24 verbunden, während der Ausgang 31 der ersten Spannungsquelle 10 mit dem Gehäuse 26 der Plasmakammer verbunden ist. Die beiden Spannungsquellen 10, 12 sind über eine Synchronisierungseinrichtung 34 synchronisiert schaltbar, wobei die Synchronisierungseinrichtung 34 nicht die Spannungsquelle 12 zur Erzeugung eines frei wählbaren Impulsmusters direkt schaltet, sondern einen in deren Ausgang befindlichen Schalter 35.
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Die Parallelschaltung der zweiten Anschlüsse der beiden Spannungsquellen 10, 12 erfolgt über das in der Plasmakammer 22 gebildete Plasma. Auch dies führt zu vorteilhaften Effekten in der Plasmabildung und damit zur individuellen Anpassungsfähigkeit der Abscheidung unterschiedlicher Stoffe auf Substraten unterschiedlicher Geometrie und Materialbeschaffenheit.
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Ein ähnliches Impulsmuster wie in 2 dargestellt, lässt sich in der Anordnung 40 gemäß 4 durch zwei Gleichspannungsquellen 10 erzeugen, die über eine zentrale Steuerung 34 synchronisiert werden. Diese Anordnung hat im Unterschied zu der Schaltung aus 2, bei der zumindest die Spannung Udc über die gesamte Sputter-Zeit dauerhaft anliegt, weiterhin den Vorteil, dass sich in dem zeitlichen Spannungsverlauf neben den Spannungen der beiden Spannungsquellen 10 auch zwischenzeitlich eine Spannung von 0V darstellen lässt. Dies wird erreicht, wenn beide Spannungsquellen 10 durch die zentrale Steuerung 34 über eine gewünschte Periode, wie in 4a und 4b gezeigt, ausgeschaltet werden.
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5 zeigt eine Magnetronanordnung umfassend eine erste Gleichspannungsquelle 10 und eine zweite Spannungsquelle 38, die eine Sinusspannung über eine volle Periode erzeugt, d.h. eine volle Sinuswelle. Die zweite Spanungsquelle besteht aus einer Spannungsquelle 10 gemäß 1, die von der Steuerung lediglich zur Erzeugung eines Doppelrechteckimpulses mit unterschiedlichen Vorzeichen, wie eine rechteckigen "Sinuskurve" angesteuert wird. Die Rechteckvollwelle wird über einen Transformator 42 auf in eine aufgrund der Transformatorcharakteristik in eine Sinusspannung transferiert, wobei sie auch auf eine höhere Spannung transformiert und in einem nachgeschalteten Gleichrichter 44 gleichgerichtet wird. Der Ausgang des Gleichrichters 44 bildet den Ausgang der zweiten Spannungsquelle 38 und ist mit dem Ausgang der ersten Spannungsquelle 10 über zwei Brücken 14, 16 parallel geschaltet, wobei in der ersten Brücke 14 wiederum eine Diodenstrecke mit gegensätzlich angeordneten Dioden D1, D2 angeordnet ist, zwischen denen der Abgriff 18 zum Anschluss 21 der Kathode 20 der Plasmakammer 22 angeordnet ist. Der zweite Anschluss 23 der Plasmakammer 22 ist direkt mit der Anode 24 verbunden, welche wiederum über den Schalter Sm1 mit Masse 26 verbindbar ist. Der Schalter Sm1 kann von der zentralen Steuerung 34 in Synchronisation mit den Spannungsquellen betrieben werden. Die Stromversorgung der dargestellten Magnetron-Plasmaanlage speist die Anschlüsse 21, 23 der Plasmakammer 22 mit dem in 4a dargestellten Impulsverlaufs, wobei die Spannung über die Zeit aufgetragen ist.
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6 zeigt eine Dual-Magnetron Anlage mit zwei Spannungsquellen 10 gemäß 1, die über eine gemeinsame Steuerung 34 synchronisiert angesteuert sind. Die Ausgänge der Spannungsquellen 10 sind über zwei Brücken 14, 16 parallel geschaltet. Die erste Brücke 14 ist über den ersten Anschluss 21 der Plasmakammer 22 mit einer ersten Kathode 50 verbunden, während die zweite Brücke 16 über den zweiten Anschluss 23 mit einer zweiten Kathode 52 verbunden ist, die in einem Abstand von der ersten Kathode angeordnet ist und eine Anode 56 aufweist. Die die erste Kathode 50 umgebende Anode 54 ist über ein Schalter Sm1 auf Masse 26 schaltbar, während die zweite die zweite Kathode 52 umgebende Anode 56 über den Schalter Sm2 ebenfalls mit Masse verbindbar ist. Diese Schalter Sm1 und Sm2 sind ebenfalls von der zentralen Steuerung 34 in Synchronisation mit der Ansteuerung der beiden Spannungsquellen 10 ansteuerbar. Es lässt sich mit dieser Anordnung gemäß 5 der Spannungsverlauf gemäß 6a realisieren, bei der wiederum der Spannungsverlauf U über die Zeit t wiedergegeben ist. Während bei geöffneten Schaltern sich das Plasmafeld über die beiden Anoden ausbildet, wirken bei geschlossenen Schaltern die Abschirmungen und das Gehäuse 26 der Plasmakammer 22 auf die Ausbildung des Plasmas ein. Zwischen die Anschlüsse A1 und A2 kann wahlweise noch ein Transformator 53 geschaltet werden, um sinusförmige Spannungsimpulse zu erhalten.
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Schließlich zeigt 7 eine spezielle Anlage die für hohe Stromimpulse insbesondere für das HPPMS- und HIPIMS-Verfahren ausgelegt ist. Diese Verfahren arbeiten mit äußerst starken Stromimpulsen, wodurch im Verlauf des Pulses eine hohe Ionisierung des abgesputterten Targetmaterials erzielt wird.
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Die Magnetron-Plasmaanlage 70 gemäß 7 ist in der Lage, eine Anodenanordnung des Magnetrons gemäß einer der vorhergehenden Beispiele zu verwenden. In den 7a, 7b und 7c sind beispielsweise drei Anordnungen gezeigt, die an der Stelle 60 in die Plasmakammer 22 der Magentronanlage 70 einsetzbar sind. Gemäß 7a und 7c handelt es sich dabei um Dual-Magnetrons mit zwei Kathoden 50, 52 gemäß den 6 und 8 oder um eine einzige Kathode 20 (7b), deren Anode 24 über die Parallelschaltung eines Schalters Sm und einer Diode D3 mit der Gehäusemasse 26 verbunden ist. Über diese Anordnung lässt sich das Plasmafeld in der Plasmakammer 22 stark beeinflussen. Weiterhin ist in der Plasmakammer eine elektrisch leitende Substrathalterung 64 isoliert angeordnet, an deren oberem Ende ein ebenfalls elektrisch leitender Substratteller 66 vorgesehen ist, auf welchem ein Substrat 68 angeordnet werden kann. Der Substratteller 66 ist gegenüber der Plasmakammer 22 mittels einer BIAS-Spannungsversorgung 72, die identisch zur Spannungsquelle 10 aus 1 ausgebildet sein kann, auf einer Vorspannung gehalten. Die Vorspannung wird über die zentrale Steuerung 34 angesteuert, die ebenfalls über die Spannungsquellen 10 die Anschlüsse 21, 23 der Kathoden 50, 52 oder 20 des Magnetrons gemäß 7a, 7b oder 7c ansteuert. Die Anlage arbeitet wie folgt. In dem Magnetron werden kurzzeitige hohe Impulse bis mehreren MW erzeugt. Zeitlich getriggert mit der zweiten Hälfte der Impulse wird die BIAS-Stromversorgung 72 eingeschaltet, was folgenden Effekt hat. Am Ende der Hochstromimpulse des Magnetrons 60 wird das gesputterte Targetmaterial stark ionisiert. Exakt zu diesem Zeitpunkt, d.h. zum Zeitpunkt der beginnenden oder begonnenen Ionisierung der gesputterten Teilchen wird die BIAS-Vorspannung über die Stromversorgung 72 zugeschaltet. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die Ionen des gesputterten Targetmaterials sich auf dem Substrat 68 niederschlagen. Andrerseits wird über die synchronisierte Zuschaltung der Vorspannung erreicht, dass die Vorspannung nur dann eingeschaltet ist, wenn das gesputterte Targetmaterial ionisiert ist. Denn eine dauernde Vorspannung ist unerwünscht, weil dies einen negativen Effekt auf die Ausbildung des Plasmas in der Plasmakammer 22 hat.
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Wie oben gezeigt ist, müssen die Spannungsquellen nicht über Brücken miteinander parallel geschaltet sein, sondern die Parallelschaltung lässt sich auch über Elemente der Plasmakammer wie Anode und/oder Gehäuse der Plasmakammer realisieren. Der Parallelschaltung kann insbesondere auch durch das Plasma in der Plasmakammer erfolgen.
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8 zeigt eine Dual-Magnetron Anlage 80 mit drei Spannungsquellen 10, 12, 13. Die erste Spannungsquelle 10 kann eine DC/Puls-Spannungsquelle gemäß 1 sein. Die zweite und dritte Spannungsquellen sind DC-Spannungsquellen 12, 13, die geregelt oder ungeregelt sein können, und denen jeweils ein elektronischer Schalter 82, 84 nachgeordnet ist. Die beiden elektronischen Schalter 82, 84 und die erste Spannungsquelle 10 sind über eine Steuerung 34 synchronisiert ansteuerbar. Die beiden Ausgänge der ersten Spannungsquelle 10 sind mittels Brücken 14, 16 über jeweils eine Diode D1, D2 mit jeweils einem Ausgang der elektronischen Schalter 82, 84 verbunden, wobei jede der Brücken 14, 16 mit dem Kathodenanschluss 86, 88 jeweils einer Kathode 50, 52 der Dual-Magnetron Anlage verbunden ist. Der ersten Spannungsquelle 10 kann ein Transformator 53 nachgeschaltet sein, um sinusförmige Spannungspitzen zu erhalten. Die Diode D1, D2 ist dabei jeweils zwischen der Verbindung von Kathodenanschluss 86, 88 und Brücken 14, 16 einerseits und dem zugehörigen elektronischen Schalter 82, 84 andererseits angeordnet. Die anderen Ausgänge der elektronischen Schalter 82, 84 sind über Leitungen 90, 92 mit den zugehörigen Anoden 54, 56 verbunden.
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Wie 8a zeigt, lassen sich durch diese Anordnung zeitlich frei regelbare Pulsmuster in beiden Richtungen erzeugen, wobei die Amplituden in beiden Stromrichtungen unterschiedlich sein können.
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Obwohl der Einsatz der Erfindung oben für eine Magnetron-Sputteranlage beschrieben wurde, ist er für eine Vielzahl anderer Plasmaverfahren wie z.B. PACVD, Plasma-Nitrieren, PVD-ARC (Bogenverdampfer); PlasmaÄtzen, Pulsplating, atmosphärisches Plasma geeignet und vorteilhaft.
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9 zeigt eine Anordnung mit drei Spannungsquellen 10, die über eine nicht dargestellte externe Steuerung und eine Synchronisationseinrichtung 34 synchronisiert ansteuerbar sind. Jede der Spannungsquellen 10 wird mit jeweils zwei Gleichstromquellen DC1 bis DC6 gespeist. Die Ausgänge der drei Spannungsquellen 10 sind dabei derart verschaltet, das jeweils zwei (in der Figur die obere und untere) Spannungsquellen die Anoden und Kathodenanschlüsse Aa1, Ak1 und Ak2 und Aa2 zweier Magnetron-Plasma- oder Arc-Verdampfer-Anlagen (als Beispiele für Anoden/Kathodenpaarungen) bilden. Zwischen diesen Anschlüssen Aa1, Ak1 als auch Aa2, Ak2 als auch Ak1, Ak2 können noch jeweils ein Transformator 53 angeordnet sein, um die Spannung an den Anlagen zu erhöhen. Wesentlich ist bei der Verschaltung, dass eine der Anlagen, und zwar die, die nicht direkt eine Anoden/Kathodenpaarung direkt ansteuert, (in der Figur die mittlere) mit den beiden Kathodenanschlüssen Ak1, Ak2 der beiden Magnetron-Plasma- oder Arc-Verdampfer-Anlagen verbunden ist. Jeweils ein Anschluss der beiden anderen Stromversorgungen ist mit einem der beiden Anschlüsse der mittleren Stromquelle verbunden. Den Impulsmustern aufgrund der direkten Ansteuerung der Anoden/Kathodenpaarungen ist somit eine Impulsmuster überlagerbar, das durch die mittlere Spannungsquelle 10 generiert wird, welche mit den Kathoden Ak1, Ak2 der beiden Anlagen verbunden ist.
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Die 9a bis 9d zeigen Pulsmuster, welche mit der in 9 gezeigten Anordnung möglich sind, wobei deutlich wird, dass hochfrequente Pulse, die durch die direkte Ansteuerung der Anlagen durch die obere und untere Spannungsquelle 10 resultieren (entsprechend den Gleichspannungen Udc1 und Udc5 als auch Udc2 und Udc6 aus den entsprechenden Gleichspannungsquellen DC1, DC5, DC2 und DC6) mit Impulsen Udc3 und Udc4 höherer Spannung aber deutlich niedrigerer Frequenz überlagert werden können, wie sie in 9 durch die Gleichspannungsquellen DC3 und DC4 der mittleren Spannungsversorgung 10 erzeugt werden. Die Überlagung der Hochspannungs- bzw. Hochleistungsimpulse (HPPMS) erfolgt hierbei über die in 9 mittlere Spannungsquelle 10, deren Spannungen der Gleichstromnetzteile DC3 und DC4 auf die beiden Kathoden Ak1, Ak2 der Magnetron- oder Arc-Verdampferanlagen gelegt sind. Die Hochleistungsimpulse können dabei bipolar oder unipolar abgegeben werden. Beliebige Kombinationen der Hochfrequenz- und Hochleistungsimpulse unipolar und bipolar sind möglich
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10 zeigt eine Anlage 100, als Möglichkeit, was mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsanlage möglich ist. Mit den Bezugszeichen 102 ist eine Bank mit mehreren Spannungsquellen 10 bezeichnet, wie sie in den vorherigen Figuren bereits aufgeführt wurden. Jede Spannungsquelle 10 verfügt über eine Schaltanordnung, wie sie in 1 gezeigt ist und über ein oder zwei Spannungsquellen gemäß 1a oder 1b. In der Figur sind vier Spannungsquellen 10 abgebildet. Deren Ausgänge führen auf eine Bank 104 von Oberflächenbehandlungsanlagen, die z.B. eine oder mehrere Magnetron-Plasma- oder Arc-Verdampfer-Anlagen aufweisen kann, wie es z. B. in den 7a bis 7c gezeigt ist.
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Gesteuert wird die gesamte Anlage 100 von einer zentralen Steuerung 106, welche alle steuerbaren Komponenten der Anlage 100 zum Teil über eine Synchronisiereinrichtung 34 ansteuert. Zu den angesteuerten Vorrichtungen gehören neben der Bank 102 von Spannungsquellen 10 ferner eine Messvorrichtung für die Ionenkonzentration 108, die eine Vielzahl von Sensoren 110 zur Erfassung der Ionenkonzentration aufweist. Eine derartige Vorrichtung 108 kann z. B. als Emissionspektroskopie-Anlage ausgebildet sein. Des Weiteren ist die Steuerung 106 mit einer Vorrichtung 112 zur Videoerfassung der Ionenkonzentration verbunden, z. B. einer Videospektroskopie-Anlage, die ebenfalls über die Synchronisierung 34 synchronisiert mit der Bank 102 ansteuerbar ist. Des Weiteren ist die Steuerung 106 mit einer RF-Quelle 114 verbunden, welche z. B. mit Frequenzen in Megahertz-Bereich betrieben wird. Diese RF-Quelle 114, welche über die Steuerung 106 angesteuert wird, ist sowohl mit Masse der Plasmakammer 22 als auch mit der elektrisch leitfähigen Substrathaltung 64 verbunden, auf deren Oberseite der ebenfalls leitfähige Substratteller 66 angeordnet ist, auf welchem das Substrat 68 aufliegt. Zusätzlich ist die Steuerung 106 mit einer zusätzlichen Spannungsquelle 116 verbunden, die beispielsweise entsprechend der Spannungsquelle in 1 ausgebildet sein kann. Diese Spannungsquelle 116 ist über durch die Steuerung 106 steuerbare Schalter oder Brückenanordnung S3 und S4 mit der Substrathaltung 64 als auch mit einer Flächenelektrode 118 verbunden, welche auf der der Bank 104 mit den Oberflächenbehandlungsanlagen abgewandten Seite des Substrats 68 angeordnet ist. Durch diese Flächenelektrode 118 können durch die Bank 104 abgegebenen Ionen in Richtung auf die Elektrode 118 gezogen oder von dieser abgestoßen werden. Durch die weitere Stromquelle 116 und die koordinierte Betätigung der Schalter S3 und S4 ist somit eine klare Lenkung der Ionenströme in der Plasmakammer 22 möglich, welche Ionenkonzentration zum einen über die Messvorrichtung für die Ionenkonzentration 108 als auch über die Videospektroskopieanlage 112 ist technisch und visuell erfasst werden kann. Auf diese Weise ist eine sehr gezielte Plasma-Partikel-Extraktion möglich, die die eine gezielte Schichtbildung auf der Substratoberfläche ermöglichen.
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Die Anlage 110 enthält weiterhin eine Lambda-Sonde 120 zur Sauerstoffregelung in der Plasmakammer 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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