DE2821119A1

DE2821119A1 - Verfahren und anordnung zur regelung des entladungsvorganges in einer katodenzerstaeubungsanlage

Info

Publication number: DE2821119A1
Application number: DE19782821119
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl Ing Priess; Friedrich Werner Dr Ing Thomas
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1978-05-13
Filing date: 1978-05-13
Publication date: 1979-11-15
Also published as: IT7921700A0; NL7902718A; US4283260A; GB2021294B; FR2425480A1; DE2821119C2; IT1112450B; AT359798B; GB2021294A; FR2425480B1; ATA191179A

Description

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3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (14) des Druckreglers (13), einem Stellglied (16) für ein Dosierventil (6) in der Gaszuleitung (5) aufgeschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang (31) des Stromreglers (32) zusätzlich ein Sollwert-Potentiometer (36) aufgeschaltet ist, das als Motorpotentiometer ausgebildet und in der Weise ansteuerbar ist, daß zum Zwecke des stoßfreien Aufschaltens auf den Druckregler (13) Gleichheit zwischen Strom-Sollwert und Strom-Istwert herstellbar ist.

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des in der Entladungszone befindlichen Gases. Dies gilt sowohl für die Zerstäubung mittels Hochfrequenz als auch mittels Gleichspannung. Während des Entladungs- bzw. Zerstäubungsvorganges heizen sich sowohl das Zerstäubungsgas als auch die dem Entladungsvorgang benachbarten Teile der Anlage auf, ein Yorganq, der bei der Glijr.mbehandlung von Werkstoffen systematisch zur Erzeugung hoher Temperaturen ausgenutzt wird. Bei der Katodenzerstäubung zur Herstellung dünner Schichten ist dieser Vorgang im wesentlichen unerwünscht, aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten aber unvermeidbar.

Die bisher bekannten Katodenzerstäubungsanlagen sind im allgemeinen mit Druckreglern ausgestattet, die den Prozeßdruck unbeeinflußt von anderen Prozeßparanetern möglichst unverändert aufrechterhalten sollen. Zu diesem Zweck besitzen die bekannten Anlagen einen Druckfühler, dessen Ausgang ein dem Druck proportionales elektrisches Signal abgibt, welches zusammen mit einem Sollwert dem Eingang des Druckreglers aufgeschaltet ist. Der Ausgang des Druckreglers ist mit einem Stellglied eines Dosierventils verbunden, welches in der Gaszuführungsleitung zur Katodenzerstäubungsanlage angeordnet ist. Da während des Katodenzerstäubungsverfahrens durch entsprechende Vakuumpumpen laufend Gas aus der Anlage abgepumpt wird, läßt sich durch eine Regelung der Gaszufuhr ein Gleichgewichtszustand in der Anlage einstellen. Als Gase kommen Edelgase, vorzugsweise Argon, beim reaktiven Zerstäuben auch Edelgase im

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Gemisch mit entsprechenden Reaktionsgasen, beispielsweise Sauerstoff, in Frage. Der übliche Zerstäubungsdruck liegt

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größenordnungsmäßig bei 10 mbar.

Bei den bekannten Katodenzerstäubungsanlagen wird außerdem der Entladungsstrom konstant gehalten, in—dem die Zerstäubungsspannung entsprechend verändert wird. Die Zerstäubungsspannung unterliegt infolgedessen Schwankungen, die zur Aufrechterhaltung eines konstanten Zerstäubungsstromes notwendig sind. Die Zerstäubungsleistung, d.h. das

Produkt aus Strom und Spannung ist infolgedessen gleich-' falls entsprechenden Schwankungen ausgesetzt. Wie bereits oben ausgeführt wurde, heizen sich bei langzeitigern Zerstäuben die dem Plasma ausgesetzten Teile und das Plasma selbst zunehmend auf. Dies würde bei geschlossener Vakuumkammer nach der Zustandsgieichung für Gase dazu führen, daß mit zunehmender Temperatur auch der Druck ansteigt. Da jedoch der Druck auf konstante Werte geregelt wird, bedeutet dies, daß mit zunehmender Temperatur das Gasgewicht in der Vakuumkammer abnimmt, so daß zunehmend weniger Ladungsträger in der Vakuumkammer vorhanden sind. Elektrisch gesehen wird das System zunehmend hochohmiger, wobei der Stromregler versucht, den Entladungsstrom über das Nachstellen der Spannung konstant zu halten. Dieser Vorgang findet seine Grenze am Ende des Verstellbereichs der Spannung, wobei sich außerdem die Entladungsleistung laufend verändert.

Zum Zwecke eines qleichförmiaen Schichtaufbaus ist jedoch die Einhaltung einer konstanten Entladungs- bzw. Zerstäubungsleistung während des gesamten Zerstäubungsvorganges außerordentlich wünschenswert.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren und eine Regelanordnung anzugeben, mit denen es möglich ist, die Entladunqsleistung auch über lange Zeiträume weitgehend konstant zu halten und damit einen gleichförmigen Schichtaufbau zu gewährleisten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird, daß der Strom-Istwert des Entladungsstromes mit einem Strom-Soll-

LO wert verglichen und der Differenzwert zusammen mit dem Druck-Istwert in der Weise in den Druckregler eingegeben wird, daß der Zerstäubungsdruck beim Abweichen des Entladungs· Stroms auf einen solchen Wert gebracht wir*', daß oar Entladungsstrom dem vorgegebenen Wert im wesentlichen

.5 entspricht.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt also eine Abkehr von der bisherigen Verfahrensweise dar, den Zerstäubungsdruck im wesentlichen konstant zu halten. Die erfindunpsgemäße, durch den Druckregler vorgenommene bewußte Veränderung des Zer-

!0 stäubungsdrucks führt dazu, daß der elektrische Widerstand der Entladungsstrecke im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß auch die hierdurch gegebene Verknüpfung von Strom und Spannung und damit die Entladungsleistung auf vorgegebenen Werten gehalten werden. Dies führt zu außer-

!5 ordentlich gleichförmigen Schichten auch während längerer Zerstäubungszeiten. Die Erfahrung hat gezeigt, daß zur Ein-

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haltung eines konstanten Stromes bei gleichfalls konstanter Spannung nur relativ geringe Druckänderungen notwendig sind, die keinen schädlichen tinfluo auf den Schichtaufbau haben. Die erforderlichen Druckänderungen haben bei den üblichen Zeiger-Meßgeräten Auswirkungen, die in der Größenordnung der Zeigerbreite liegen, also vernachlässigbar sind. Dies ist auf die "steile" Abhängigkeit des Stromes vom Druck zurückzuführen.

Die Ausdrücke Stromregler bzw. Stromregelung sind bei der erfindungsgemäßen Lösung indirekt zu verstehen, d.h. der Ausgang des Stromreglers wirkt nicht - wie bisher - unmittelbar auf die Stromversorgungseinrichtung ein, sondern auf den Eingang des Druckreglers, der durch das stromabhängige Signal entsprechend verstellt wird, so daß die Stromregelung eine sogenannte "mittelbare Stromregelung" ist.

Eine mittelbare Stromregelung wäre auch dadurch möglich, daß auf den Druckfühler bzw. den Druck-Istwertgeber verzichtet und der Ausgang des Stromreglers unmittelbar dem Stellglied des Dosierventils aufgeschaltet wird. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß eine solche Regelung mit einem nur schwer zu beherrschenden Einschwingverhalten verbunden ist, während die erfindungsgemäße Beeinflussung des Druckreglers zu einem praktisch schwingungsfreien Regel vernal ten selbst bei sprunghafter Veränderung der verschiedenen Sollwertvorgaben führt. Der Erfindungsgegenstand macht eine Katodenzerstäubungsanlage selbst für

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weniger geübtes Personal bedienbar, d.h. selbst eine erheblich fehlerhafte Einstellung der Sollwerte für Strom und Druck wird durch den Erfindungsgegenstand weitgehend ausgeglichen.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer Katode und mindestens einer Gegenelektrode, aus einem Druckregler mit einem Druckfühler und einem Stellglied für den Durchsatz an Zerstäubungsgas, aus einem Spannungsregler und aus einem Stromregler mit einem Stromfühler, die jeweils entsprechende Signal-Ein- und -Ausgänge aufweisen.

Eine solche Anordnung ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Stromreglers zusammen mit dem Ausgang des Druckfühlers dem Eingang des Druckreglers in der Weise additiv aufgeschaltet sind, daß eine Absenkung des Druck-Istwerts und eine Absenkung des Strom-Istwerts den Druckregler gleichsinnig in Richtung auf eine Drucksteigerung beeinflussen.

Selbstverständlich erfolgt die Beeinflussung auch in entgegengesetzter Richtung, d.h. daß ein Anstieg des Druck-Istwertes und ein Anstieg des Strom-Istwertes den Druckregler gleichsinnig in Richtung auf eine Druckabsenkung beeinflussen.'Da eine Absenkung des Strom-Istwerts aufgrund der oben erläuterten Erwärmungsvorgänge jedoch der überwiegend auftretende Effekt ist, seien die Wirkungsweise des Regelkreises und die sich

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daraus ergebenden Auslegungsdaten anhand der Vorgänge bei der Absenkung von Druck und Strom definiert.

Der Erfindungsgegenstand ist im Priinzip eine Reihenschaltung von Strom- und Druckregler, die auch als geschachteltes Regelsystem bezeichnet werden kann. Die Auslegungsdaten werden dabei zweckmäßig so getroffen, daß der Einfluß des Stromreglers dominiert ("Master-Control"), während der Einfluß des Druckreglers untergeordnet ist ("Slave-Control"), sobald der Stromregler in Funktion getreten ist bzw. zugeschaltet wurde. Die sich daraus ergebenden Auslegungsdaten sind jedoch für den Regelungsfachmann verhältnismäßig leicht aufzufinden, so daß es keiner weiteren Angaben bedarf.

Im Prinzip wäre die Druckregelung auch dadurch zu bewerkstelligen, daß das Stellglied für den Durchsatz an Zerstäubungsgas die Leistung der Vakuumpumpen beeinflußt. Es ist jedoch besonders einfach und vorteilhaft, wenn der Ausgang des Druckreglers einem Stellglied für ein Dosierventil in der Gaszuleitung aufgeschaltet ist. Hierdurch kann der Gasverbrauch auf ein Minimum reduziert werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann dadurch weiter vervollkommnet werden, daß dem Eingang des Stromreglers zusätzlich ein Sollwertgeber aufgeschaltet ist, der zusätzlich als Motorpotentiometer ausgebildet und in der Weise ansteuerbar ist, daß zum Zwecke des stoßfreien Aufschaltens auf den Druckregler Gleichheit zwischen Strom-Sollwert und Strom-

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Istwert herstellbar ist. Hierdurch ergeben sich nach der Umschaltung vom ZUndvorgang der Entladung auf den stationären Betrieb nur unbedeutende Druckschwankungen. Bei gegebenenfalls notwendig werdenden erneuten Änderungen des Druck-Sollwertes wird von Strom- auf Druckregelung zurückgeschaltet und nach Erreichen des neuen gewünschten Druck-Istwertes wieder stoSfrei auf eine Stromregelung zurückgeschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise sei nachfolgend anhand der Figur näher erläutert, die einen Vertikalschnitt durch eine Katodenzerstäubungsanlage und die erfindungsgemäße Regelanordnung zeigt.

Wesentliches Element der Katodenzerstäubungsanlage 1 ist eine Vakuumkammer 2, die über eine Rohrleitung 3 und eine Vakuumpumpe 4 evakuierbar ist. An die Vakuumkammer 2 ist über eine Gaszuleitung 5 und ein in ihr angeordnetes Dosierventil 6 eine Gasquelle 7 angeschlossen, die beispielsweise unter Druck stehendes Argon enthält.

Die Vakuumkammer 2 steht außerdem über eine Rohrleitung mit einem Druckfühler 9 in Verbindung, der gleichzeitig Meß- und Anzeigegerät ist und den Druckwert in ein proportionales elektrisches Signal umsetzt, welches am Ausgang 10 ansteht. Der Ausgang 10 steht über einen Widerstand 11 mit dem Eingang 12 eines Druckreglers 13 in Verbindung, dessen Ausgang 14 über eine Leitung 15 dem Stellglied 16 des Dosierventils 6 aufgeschaltet ist. Der bisher

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beschriebene, den Druckregler 13 enthaltende Regelkreis hat ohne Beeinflussung von außen die Wirkung, den Druck in der Vakuumkammer 2 konstant zu halten, dessen Störgrößen die über die Gaszuleitung 5 zugeführten und über die Rohrleitung abgeführten Gasmengen sind. Ein Druck-Sollwert wird über ein Potentiometer 17 und einen Widerstand 18 am Eingang 12 des Druckreglers 13 vorgegeben.

In der Vakuumkammer 2 befinden sich eine Katode 19 mit einem metallischen oder dielektrischen Target 20 sowie eine Gegenelektrode 21, die als Substrathalter ausgebildet ist und mehrere Substrate 22 trägt. Die Gegenelektrode ist zusammen mit der Vakuumkammer 2 an Masse gelegt, während die Katode 19 isoliert aufgehängt und über eine Leitung 23 mit einer Stromversorgungseinrichtung 24 verbunden ist, die ein Hochfrequenzgenerator oder eine Gleichstromquelle sein kann. Die während des gesamten Zerstäubungsvorganges konstant zu haltende Spannung wird über ein Potentiometer 25 mit einem Abgriff 26 eingestellt. Zwischen der Katode 19 und der Gegenelektrode 21 befindet sich die soge-

2Q nannte Entladungsstrecke, durch die der Entladungsstrom fließt, der über die Leitung 23 zugeführt wird. Ein diesem Strom proportionaler Strom fließt auch über einen Shunt 27; seine Größe kann durch einen Stromfühler 28 abgegriffen werden. Der Stromfühler steht über eine Leitung 29 und einen Widerstand 30 mit dem Eingang 31 eines Stromreglers 32 in Verbindung, der über einen Schalter 33 außer Betrieb gesetzt werden kann. Der Stromregler 32 besitzt einen Aus-

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gang 34, der über einen Widerstand 35 dem Eingang 12 des Druckreglers 13 aufgeschaltet ist. Der Stromregler 32 ist zweckmäßig als PI-Regler ausgeführt. Zur Vorgabe eines Strom-Sollwertes dient ein Potentiometer 36, dessen Abgriff 37 über einen Widerstand 38 mit dem Eingang 31 des Stromreglers 32 verbunden ist.

Der bisher beschriebene Teil der Anordnung hat folgende Wirkungsweise: Zunächst wird über das Potentiometer 25 und die Stromversorgungseinrichtung 24 eine Zerstäubungs-Spannung vorgegeben, die durch eine nicht näher dargestellte Regelanordnung konstant gehalten wird. Ein entsprechender Strom wird am Potentiometer 36 voreinoestellt; der Schalter 33 ist zunächst noch geschlossen, so daß der Stromregler außer Betrieb gesetzt ist. Mittels des Druckreglers 13 wird in der Vakuumkammer 2 ein Druck aufgebaut, der zumindest zu Beginn so hoch ist, daß ein Zünden der Entladung gewährleistet ist. Dieser Druck wird am Potentiometer 17 eingestellt. Dieser Druck wird zunächst über den Druckregelkreis konstant gehalten. Durch öffnen des Schalters 33 wird nunmehr der Stromregler 32 eingeschaltet, der den Druckregler 13 übergeordnet beeinflußt. Durch zunehmende Erwärmung des Inhalts der Vakuumkammer 2 dehnt sich das darin enthaltene Gas aus, womit die Zahl der Ladungsträger pro Volumenelement verringert wird. Dies äußert sich zunächst in einer geringfügigen Verringerung des Entladungsstromes, die sich ohne Eingriff des Stromreglers 32 mit steigender Temperatur fortsetzen würde. Der Beginn der Stromabsenkung wird jedoch durch den Strofnfühler 28 erfaßt und

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dem Stromregler 32 mitgeteilt, der den Druckregler 13 im gleichen Sinne beeinflußt, wie eine Druckabsenkung, die mittels des Druckfühlers 9 gemessen würde, d.h. das Dosierventil 6 wird über das Stellglied 16 weiter geöffnet, so daß der Druck in der Vakuumkammer 2 ansteigt. Dadurch wird die Anzahl der Ladungsträger pro Volumenelement wieder erhöht und der ursprüngliche Entladungsstrom - abgesehen von einer sehr geringen Regelabweichung wieder hergestellt.

Zwischen dem Potentiometer 17 und dem Widerstand 18 kann eine sogenannte Zündtaste 45 vorgesehen werden, bei deren Betätigung der Eingang des Widerstandes 18 kurzzeitig einem Abgriff 46 eines Potentiometers 47 aufgescgaltet wird, an dem ein Drucksollwert voreingestellt ist, bei dem ein Zünden der Entladung sicher erfolgt. Nach dem Loslassen der Zündtaste wird dann die Druckeinstellung wieder hergestellt, die der Einstellung des Potentiometers 17 entspricht.

Während der bisher beschriebene Teil der Regelanordnung noch drei von Hand einzustellende Potentiometer 17, 25 und 36 besitzt, kann die Bedienung durch die gestrichelt dargestellten Einrichtungen bzw. Leitungen weiter vereinfacht werden. Zu diesem Zweck ist das Potentiometer bzw. dessen Abgriff 37 durch einen Motor 39 zu einem Motorpotentiometer ausgestaltet. Der Motor 39 erhält seine Steuersignale über eine Leitung 40, die mit dem Ausgang eines Potentiometerreglers 41 verbunden ist. Die Eingänge des Reglers 41 sind über eine Leitung 42 mit der Leitung 29 und über eine Leitung 43 mit dem Widerstand verbunden. Sobald ein Schalter 44 geschlossen ist, verstellt

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der Motor 39 den Abgriff 37 solange, bis die Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen des Reglers 41 und datrit am Eingang 31 des Reglers 32 zu Null wird, d. Fi. am Ausgang 34 des Stromreglers 32 steht kein Signal an. Auf diese Weise kann eine stoßfreie Zuschaltung des Stromreglers 32 herbeigeführt werden. Im Anschluß daran wird der Schalter 44 wieder geöffnet, wobei sich aufgrund der steilen Abhängigkeit des Entladungsstromes vom Druck nach Umschaltung auf die Stromregelung nur unbedeutende Druckschwankungen im Bereich der Zeigerbreite des Anzeigeinstruments ergeben. In dem zuletzt beschriebenen Fall kann der gewünschte Zerstäubungsdruck zu Beginn am Potentiometer 17 vorgegeben werden.

Ein automatisches Zünden ohne besondere Zündtaste und einen Zünddrucksollwert läßt sich wie folot über den Stromregler herbeiführen. Mit dem Einschalten der Zerstäubungsspannung wird der Stromregler 32 über das öffnen des Schalters 33 eingeschaltet. Der Zerstäubungsstromsollwert wird über das Potentiometer 36 eingestellt. Sollte der momentane Gasdruck in der Vakuumkammer zu niedrig für ein Fließen des Entladungsstromes sein, so wird durch die Stromreglerabweichung der nachfolgende Druckregler 13 das Regelventil 16 solange öffnen, bis die notwendige Ladungsträgerkonzentration über den eintretenden Druckanstieg für den Stromeinsatz (Zünden) erreicht ist. Der Stromregler regelt nach dem Stromeinsatz entsprechend seiner Pl-Charakteristik den Entladungstrom auf den vorgegebenen Sollwert.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

verfahren zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage, die mit Strom-, Spannungsund Druckreglern für den Zerstäubungsvorgang ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird, daß der Strom-Istwert des Entladungsstromes mit einem Strom-Sollwert verglichen und der Differenzwert zusammen mit dem Druck-Istwert in der Weise in den Druckregler eingegeben wird, daß der Zerstäubungsdruck beim Abweichen des Entladunnsstroms auf solche Werte gebracht wird, daR der Entladungsstrom dem vorgegebenen Wert im wesentlichen entspricht.

2. Anordnung zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 1, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer Katode und mindestens einer Gegenelektrode, aus einem Druckregler mit einem Druckfühler und einem Stellglied für den Durchsatz an Zerstäubungsgas, aus einem Stromregler und aus einem Stromfühler, die jeweils .entsprechende Signal-Ein- und -Ausgänge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (34) des Stromreglers (32) zusammen mit dem Ausgang (10) des Druckfühlers (9) dem Eingang (12) des Druckreglers (13) in der Weise additiv aufgeschaltet sind, daß eine Absenkung des Druck-Istwerts und

ZS eine Absenkung des Strom-Istwerts den Druckregler gleichsinnig in Richtung auf eine Drucksteigerung beeinflussen. 90984^/0460

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LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verfahren und Anordnung zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage "

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage, die mit Strom-, Spannungs- und Druckreglern für den Zerstäubungsvorgang ausgestattet ist.

Beim Zerstäuben von Targetmaterialien und bei der Niederschlagung des zerstäubten Materials auf Substraten sind drei Parameter von ausschlaggebender Bedeutung, die den Entladungsvorgang,· d.h. die elektrischen Vorgänge zwischen Katode und Substrat unmittelbar beeinflussen, nämlich Spannung, Strom und Druck

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