DE2821119C2

DE2821119C2 - Verfahren und Anordnung zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage

Info

Publication number: DE2821119C2
Application number: DE2821119A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Ing. 8756 Kahl Prieß; Friedrich Werner Dr.-Ing. 6467 Hasselroth 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: 1983-08-25
Also published as: GB2021294B; FR2425480A1; IT1112450B; DE2821119A1; NL7902718A; ATA191179A; IT7921700A0; US4283260A; GB2021294A; AT359798B; FR2425480B1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Solche Verfahren mit zugehörigen Anordnungen sind bereits bekannt (DE-PS 10 55 132), wobei dort vorgesehen ist, alternativ entweder eine Regelung mittels eines Ionisationsmanometers oder mittels eines Strommeßge- b=> räts durchzuführen. Bei der Regelung mittels des lonisationsmanometers ist die Entladungsstromstärke vom Druck abhängig. Eine thermische Ausdehnung der Gasatmosphäre führt aber wegen der Vakuumpumpen nicht notwendigerweise zu einer Druckerhöhung, so daß ein konstanter Druck auch eine konstante Entladungsstrornstärke zur Folge hat Dies gilt allerdings nur für ein isothermes Verfahren. In Wirklichkeit steigt jedoch die Gastemperatur, so daß eine Regelung auf konstanten Druck wegen des zunehmenden Widerstandes notwendigerweise zu einer Abnahme der Entladungsstromstärke führen muß. Soweit ^as dort alternative vorgesehene Regelverfahren ein Strommeßgerät verwendet und eine Regelung im Hinblick auf einen konstanten Entladungsstrom durchführt, verursacht ein vorübergehendes Absinken des Stroms eine vermehrte Gaszufuhr. Falls hierbei die Spannung konstant gehalten wird, kann der Vorgang auf eine konstante Entladungsleistung bei gestiegenem Druck, d h. bei unveränderter Anzahl von Ladungsträgern im Zerstäubungsraum geregelt werden. Hierbei wird auf einen Druckfühler verzichtet und der Ausgang des Stromreglers unmittelbar dem Stellglied des Dosierventils aufgeschaltet. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß eine solche Regelung mit einem nur schwer beherrschbaren Einschwingverhalten verbunden ist, das die Bedienung der Katodenzerstäubungsanlage erschwert

Bekanntlich sind beim Zerstäuben von Targetmaterialien und bei der Niederschlagung des zerstäubten Materials auf Substraten im allgemeiner; drei Parameter von ausschlaggebender Bedeutung, die den Entladungsvorgang, d.h. die elektrischen Vorgänge zwischen Katode und Substrat unmittelbar beeinflussen, nämlich Spannung, Strömend Druck 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 Vorgang, der bei der Glimmbehandlung von Werkstoffen systematisch zur Erzeugung hoher Temperaturen ausgenutzt wird. Bei der Katodenzerstäubung zur Herstellung dünner Schichten i». dieser Vorgang im wesentlichen unerwünscht, aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten aber unvermeidbar.

Die bekannten Katodenzerstäubungsanlagen sind zumeist mit Druckreglern ausgestattet, die den Prozeßdruck unbeeinflußt von anderen Prozeßparametern möglichst unverändert aufrechterhalten sollen. Zu diesem Zweck besitzen die bekannten Anlagen einen Druckfühler, dessen Ausgang ein dem Druck proportionales elektrisches S'gnal 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 G^szuführungsleitung 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 Gemisch entsprechenden Reaktionsgasen, beispielsweise Sauerstoff, in Frage. Der übliche Zerstäubungsdruck liegt größenordnungsmäßig bei 10"² mbar.

Bei den bekannten Katodenzerstäubungsanlagen wird außerdem der Entladungsstrom konstant gehalten, indem 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 gleichfalls entsprechenden Schwankungen ausgesetzt Wie bereits oben ausgeführt wurde, heizen sich bei langzeitigem 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 r, 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 2»

Zum Zwecke eines gleichförmigen .Schichtaufbaus ist jedoch die.- Einhaltung einer konstanten Etuiadungs- bzw. Zerstäubungsleistung während des gesamten Zerstäubungsvorganges außerordentlich wünschenswert ·>-

Es sind auch bereits Regelverfahren ohne Verwendung eines Druckfühlers bekannt (DE-OS 27 15 591; US-PS 40 43 889), bei denen der Druck im Vakuumkessel in Abhängigkeit von der Zerstäubungsspannung regelbar ist. Aufgrund einer erkannten Proportionalität zwischen dem Druck und der Targetspannung bzw. Zerstäubungsspannung ist es möglich, jeweils einen dieser Parameter durch den anderen auf einen vorgewählten Arbeitspunkt zu stabilisieren«. In beiden Fällen kann die Zunahme des Widerstandes durch j-, Abnahme der Ladungsträger bei thermischer Ausdehnung der Gasatmosphäre nicht kompensiert werden, so daß eine Abnahme der Zerstäubungsleistung mit zunehmender Gaserwärmung die unvermeidbare Folge ist.

Der Erfinüung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich bei einer über lange Zeiträume konstant gehaltenen Entladungsleistung ein von Schwingungen weitgehend freies Regelverhalten erzie- ·»> len läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich» in Abkehr von der bisherigen Verfahrensweise den Zerstäubungs- m druck im wesentlichen konstant zu halten. Die dabei durch den Druckregler vorgenommene bewußte Veränderung des Zerstäubungsdrucks führt dazu, daß der elektrische Widerstand der Entladungsstrecke im wesentlichen konstant gehalten wird. Hierdurch wird 5 > auch die gegebene Verknüpfung von Strom und Spannung und damit die Entladungsleistung auf vorgegebenen Werten gehalten. Dies führt zu außerordentlich gleichförmigen Schichten auch während längerer Zerstäubungszeiten.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist der weitere Vorteil verbunden, daß ein schwingungsfreies Regelverhalu:n selbst bei sprunghafter Änderung der verschiedenen Sollwertvorgaben durchgeführt werden kann. Dadurch wird eine Katodenzerstäubungsanlage selbst für weniger geübtes Personal bedienbar; denn selbst eine erheblich fehlerhafte Einstellung der Sollwerte für Strom und Druck wird durch das beschriebene Verfahren weitgehend ausgeglichen.

Vorteile ergeben sich auch, wenn bei der Anordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens 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.

Im Prinzip wäre die Druckregelung 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 beschriebene Anordnung kann dadurch weiter vervollkommnet werden, daß dem Eingang des StromregJers zusätzlich ein Sollwertgeber aufgeschaltet ist, der zusätzlich als Motorpotenti<yneter ausgebildet und in der Weise ansteuerbar ist daß zum Zwecke des stoßfreien Aufschaltens auf den Druckregler Gleichheit zwischen Strom-Sollwert und Strom-Istwert herstellbar ist Hierdurch ergeben sich nach der Umschaltung zum Zündvo^gang 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 stoßfrei auf eine Stromregelung zurückgeschaltet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Figur näher erläutert, die eine Anordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zeigt.

Wesentliches Element der zur beschriebenen Anordnung gehörenden Katodenzerstäubungsanlage 1 ist eine Vakuumkammer 2, die über eine Rohrleitung 3 uiid 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 8 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 den Druckregler 23 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 3 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 Stromversoreuneseinrichtune 24 verbunden ist Hip pin

Hochfrequenzgenerator oder eine Gleichstromquelle sein kann. Die während des gesamten Zcrstäubungsvorgangcs 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 sogenannte 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 Ausgang 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.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß zur Einhaltung eines konstanten Stromes bei gleichfalls konstanter Spannung nur relativ geringe Druckänderungen notwendig sind, die keinen schädlichen Einfluß 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 hier indirekt zu verstehen, d. h. der Ausgang des Stromreglers wirkt nich 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.

Der bisher beschriebene Teil der Anordnung hat folgende Wirkungsweise: Zunächst wird über das Potentiometer 25 und die Stromversorgungseinrichtung 24 eine Zerstäubungsspannung vorgegeben, die durch eine nicht näher dargestellte Regelanordnung konstant gehalten wird. Ein entsprechender Strom wird am Potentiometer 36 voreingestellt; der Schalter 33 ist zunächst noch geschlossen, so daß der Stromregler 32 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 Stromfühler 28 erfaßt und 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 — wiederhergestellt.

Da eine Absenkung des Strom-Istwerts aufgrund der oben erläuterten Erwärmungsvorgänge der überwie- -, gend auftretende Effekt ist, seien die Wirkungsweise des Regelkreises und die sich daraus ergebenden Auslegungsdaten anhand der Vorgänge bei der Absenkung von Druck und Strom definiert.

Es handelt sich hier im Prinzip um eine Reihenschal-

ID tung 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 Druckreg-

i-, lers 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

2D Angaben bedarf.

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 aufgeschaltet wird, an dem ein Drucksollwert voreingestellt ist, bei dem ein Zünden der Entladung sicher erfolgt. Nach dem Loslassen der Zündtasie wird dann die Druckeinstellung wieder hergesteift, die der Einstellung des Potentiometers 17

je 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. Leitun-

j5 gen weiter vereinfacht werden. Zu diesem Zweck ist das Potentiometer 36 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 Potentiometer-

reglers 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 38 verbunden. Sobald ein Schalter 44 geschlossen ist. verstellt der Motor 39 den Abgriff 37 solange, bis die Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen des Reglers 41 und damit am Eingang 31 des Reglers 32 zu Null wird, d. h. am Ausgang 34 des Stromreglers 32 steht kein Signal an. Auf diese Weise kann eine stoßfreie Zuschaltung des Stromreglers 32 herbeigeführt werden. Im Anschluß

so daran wird der Schalter 44 wieder geöffnet, wobei sich aufgrund der steilen Abhängigkeit des Entladunfstromes 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 ZünddrucksoHwert läßt sich wie folgt über den Stromregler herbeiführen. Mit dem Einschalten der Zerstäubungsspannung wird der Stromregler 32 über das öffnen des Schalters 33 eingeschaltet Der i Zerstäubungsstromsollwert wird über das Potentiome- S ter 36 eingestellt. Sollte der momentane Gasdruck in der S; Vakuumkammer zu niedrig für ein Fließen des ■» Entladungsstromes sein, so wird durch die Stromregier- | abweichung der nachfolgende Druckregler 13 das § Regelventil 16 solange öffnen, bis die notwendige |

Ladungsträgerkon/entration über den eintretenden Druckanstieg für den Siromcinsai/ (Zünden) erreicht ist. Der Stromregler regelt nach dem Stromeinsatz entsprechend seiner Pl-Charakteristik den Entladungsstrom auf den vorgegebenen Sollwert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung des Entladungsvorganges in einer Katodenzerstäubungsanlage, die mit Strom-, Spannungs- und Druckreglern für den Zerstäubungsvorgang ausgestattet ist, wobei der Druck mittels eines Druckfühlers überwacht und der Strom-Istwert des Entladungsstromes mit einem Strom-Sollwert verglichen und der Differenzwert als Stromsignal in der Weise in den Druckregler eingegeben wird, daß der Zerstäubungsdruck beim Abweichen des Entladungsstroms auf solche Werte gebracht wird, daß der Entladungsstrom dem vorgegebenen Wert im wesentlichen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird, daß dem Druckregler zusätzlich das Drucksignal des Druckfühlers und ein Druck-Sollwert additiv in der Weise aufgeschaltet werden, daß eine Absenkung des Druck-Istwerts und eine Absenkung des Strom-Istwerts den Druckregler gleichsinnig in Richtung auf eine Drucksteigerung beeinflussen.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens 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 jo gekennzeichnet, daß der Ausgang (34) des Stromreglers (32) zui;mmen mit dem Ausgang (10) des Druckfühlers (9) dem Eingang Ί2) des Druckreglers (13) in der Weise additiv aufgeschaltet sind, daß eine Absenkung des Druck-Istwerts >md eine Absenkung js des Strom-Istwerts den Druckregler gleichsinnig in Richtung auf eine Drucksteigerung beeinflussen.

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 Stromregler.:. (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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