DE3801309A1 - Einrichtung fuer die regelung der targetgleichspannung und der biasgleichspannung von sputteranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Für die Erzeugung dünner Schichten wird oft das Wechselstrom-Sputtern und insbesondere das Hochfrequenz-Sputtern verwendet. Hierbei wird zwischen zwei Kathoden eine Hochfrequenzspannung angelegt, wobei sich beide Kathoden in einer Vakuumkammer befinden, in der beispielsweise ein Argon-Gasdruck von 10^-2 mbar herrscht. Aufgrund der angelegten Spannung bildet sich durch Ionisierung eine Plasmagasentladung mit einer negativen Raumladung vor den Elektroden. Diese negative Raumladung kann nach Ausfiltern der Hochfrequenzspannung als negative Gleichspannung gemessen werden. Aufgrund der Veränderungen in der Plasmastrecke, z. B. durch Belastungsänderungen oder thermische Einflüsse sowie Druckänderun­ gen und Änderung der HF-Leistung, beibt diese Spannung nicht konstant.

Das Plasma selbst hat ungefähr das Potential der größten Elektrode, und dieses ist im Normalfall das Massepotential, auf dem die Wände der Vakuumkammer liegen. Als Targetgleichspannung wird der Potentialunter­ schied zwischen der Targetelektrode und dem Plasma bezeichnet, während der Potentialunterschied zwischen einer Vorspannungs- und Biaselektrode als Biasgleichspannung bezeichnet wird.

Da das Plasma - wie erwähnt - ungefähr auf Massepotential liegt, können sowohl die Target- als auch die Biasspannung durch eine Spannungsmessung zwischen der jeweiligen Elektrode und Masse erfaßt werden.

Die wichtigere und in der Regel um den Faktor 10 größere Spannung in Sputteranlagen ist die Targetspannung. Sie ist für das eigentliche Sputtern oder Zerstäuben verantwortlich, d. h. für das Herausschlagen von Material aus dem Target. Die Biasspannung ist eine Hilfsspannung, die bei be­ stimmten Materialien eine höhere Reinheit der auf einem Substrat auf­ gesputterten Schicht ermöglicht. Die Biasspannung bewirkt ein Rücksputtern am Substrat. Hierbei werden bevorzugt Teilchen herausgeschlagen, die eine wesentlich geringere Bindungsenergie zum aufgesputterten Material be­ sitzen als die Materialteilchen untereinander. Das trifft bei bestimmten Materialien für die Verunreinigungen zu, wodurch der erwähnte Reinigungs­ effekt erzielt wird. Es ist für die Güte der aufgesputterten Schicht not­ wendig, daß sowohl die Targetspannung als auch die Biasspannung mög­ lichst konstant ist. Der größte Teil der Leistung, die der HF-Generator abgibt, wird für den eigentlichen Sputtervorgang am Target benötigt. Die Konstanthaltung dieser Leistung ist somit eine Möglichkeit, indirekt auch die Targetspannung konstant zu halten. Dies bedeutet aber, daß zur Kon­ stanthaltung bzw. zur Regelung der Biasspannung eine andere Stellgröße gefunden werden muß. Um eine solche Stellgröße zu finden, ist es wichtig zu wissen, daß sich die negative Raumladung vor den Elektroden aufbaut, weil aufgrund der höheren Beweglichkeit der Elektronen im Vergleich zu den Gasionen innerhalb einer Halbwelle mehr Elektronen zu der jeweiligen Elektrode gelangen als Ionen. Da die Elektronen nicht abfließen können, lädt sich die Elektrode soweit auf, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Elektronen- und Ionenzahl einstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Einflußgrößen auszuschalten und eine definierte Raumladung vorzusehen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß Ladungsträger aus einer Elektronenwolke mittels eines Bypasses dosiert abgezogen werden. Durch Parallelschalten einer gleichstromdurchlässigen Last können mehr oder weniger Elektronen wieder abfließen, wodurch das negative Potential mehr oder weniger gesenkt wird. Dieser Effekt ist prinzipiell an jeder Elektrode ausnützbar. Zwar wird man in der Praxis wegen der niedrigen Spannung die Biasspannung regeln, doch ist das erfindungsgemäße Prinzip auch für die Regelung der Targetspannung ein­ setzbar, wenn es sich nicht gerade um ein dielektrisches Target handelt.

Bei diesem lädt sich die plasmaseitige Oberfläche des dielektrischen Ma­ terials auf, und es besteht keine Möglichkeit, Elektronen abzuziehen, weil es keinen Gleichstrompfad zum metallischen Targetträger gibt, es sei denn durch unerwünschte Neben- oder Randplasmen oder andere unerwünschte Nebenschlüsse. Die Regelung der Target- und der Biasspannung ist folg­ lich etwa gleich wichtig, doch bietet es sich bisweilen an, nur die Bias­ spannung zu regeln.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung für die Regelung der Target- und der Bias­ spannung mit Hilfe einer veränderbaren Last;

Fig. 2 eine Variante der in der Fig. 1 gezeigten Einrichtung, bei der die zur Regelung der Biasspannung benötigte veränderbare Last durch eine regelbare Röhre realisiert ist;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Regelverhaltens der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 4 den Verlauf der Target-Spannung U _TI , der Bias-Spannung U _BI und der Rückwärtsleistung P _R in Abhängigkeit von der Kapazität eines Anpaßkondensators, wobei die Anpaßschaltung der Bias- Elektrode vorgeschaltet ist;

Fig. 5 den Verlauf der Target-Spannung U _TI , der Bias-Spannung U _BI und der Rückwärtsleistung P _R in Abhängigkeit von der Kapazität eines anderen Anpaßkondensators;

Fig. 6 den Verlauf der Target-Spannung U _TI , die Bias-Spannung U _BI und der Rückwärtsleistung P _R in Abhängigkeit von der Kapazität eines Koppelkondensators;

Fig. 7 den Verlauf einer Bias-Spannung U _BI und einer Target-Spannung U _TI sowie einer Rückwärtsleistung P _R in Abhängigkeit vom Widerstandswert eines veränderbaren Widerstands.

In der Fig. 1 ist eine Einrichtung gezeigt, mit der Ladungsträger aus einer Sputteranlage dosiert abgezogen werden können. Ein Hochfrequenzgenerator 1 ist hierfür über eine Anpassungsschaltung 2 mit einer ersten Elektrode 3 verbunden, die oft auch als Target bezeichnet wird. Die Anpassungs­ schaltung 2 besteht aus einem Sparübertrager 4 sowie aus zwei Konden­ satoren 5, 6, von denen der Kondensator 6 parallel zum Sparübertrager 4 geschaltet ist und der Kondensator 5 in Reihe zwischen der Parallel­ schaltung aus Sparübertrager 4 und Kondensator 6 und der Elektrode 3 liegt. Die Elektrode 3 ist beispielsweise eine wassergekühlte Kupferplatte, auf die das abzutragende Material aufgebondet ist. Der Hochfrequenz­ generator 1 speist ferner über einen Koppelkondensator 7 und über eine Anpassungsschaltung 8 eine zweite Elektrode 9, auf der sich das Substrat befindet, das mit der entsprechenden Schicht überzogen werden soll. Beide Elektroden 3, 9 befinden sich in einer Vakuumkammer 10, die über einen Pumpenstutzen 11 evakuiert und über den Anschluß 12 mit Gas, z. B. Argon, versorgt wird. Die Elektroden 3, 9 sind ferner von Dunkelraum­ abschirmungen 13, 14 umgeben.

Die Anpassungsschaltung 8 enthält einen Sparübertrager 15, einen hierzu parallelgeschalteten Kondensator 16 sowie einen Kondensator 17, der zwischen die Elektrode 9 und die Parallelschaltung aus Sparübertrager 15 und Kondensator 16 geschaltet ist.

Die Anpassung der Elektroden 3, 9 an den Hochfrequenzgenerator 1 erfolgt durch Verstellen der Kondensatoren 5 bzw. 6 in der Schaltung 2 und/oder durch Verstellen der Kondensatoren 16, 17 in der Schaltung 8 derart, daß die Rückwärtsleistung zum Hochfrequenzgenerator 1 ein Minimum wird.

Der Hochfrequenzgenerator 1 arbeitet üblicherweise bei 13,56 MHz bzw. auch bei 27,12 MHz, die als sogenannte Industriefrequenzen von den zu­ ständigen staatlichen Behörden freigegeben sind. Außerdem ist der Hoch­ frequenzgenerator 1 mit einem 50 Ohm-Ausgang versehen, d. h. er gibt an eine Last von 50 Ohm seine Nennleistung ab. Zwischen dieser Last und dem Hochfrequenzgenerator 1 befindet sich ein Koaxialkabel mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm. Da die Plasmastrecke eine komplexe Belastung darstellt, muß sie über eine Anpassungsschaltung in einen re­ ellen 50-Ohm-Widerstand transformiert werden. Nur dann ist das Kabel reflexionsfrei abgeschlossen. Ist die Transformation nicht exakt, so findet am Kabelende eine Reflexion statt, und ein Teil der Hochfrequenzleistung wird zum Hochfrequenzgenerator 1 zurückgespeist. Diese Leistung ist die erwähnte Rückwärtsleistung P _R , im Gegensatz zur Vorwärtsleistung P _V , die im Hochfrequenzgenerator 1 in Richtung auf die Last fließt. In die Last gelangt die Differenz P _V - P _R .

Die Elektrode 9 kann direkt geerdet werden; sie wird jedoch sehr häufig zur Erzielung einer sogenannten Bias-Spannung über den Koppelkondensator 7 an den Hochfrequenzgenerator 1 angeschlossen.

Die Elektroden 3, 9 sind ausgangsseitig mit Tiefpaßfiltern 18, 19 ver­ bunden, die z. B. jeweils eine Induktivität 20, 21 bzw. einen Kondensator 22, 23 enthalten. Über das Filter 18 kann eine negative Gleichspannung an der Elektrode 3 als sogenannte Targetspannung gemessen werden, während über das Filter 19 an der Elektrode 9 eine sogenannte Bias- Spannung gemessen werden kann. Über Spannungsteiler 24, 25, die jeweils zwei Widerstände 26, 27 bzw. 28, 29 aufweisen, werden die jeweiligen Spannungen an den erforderlichen Pegel der nachgeschalteten elektronischen Anordnung angepaßt. Der Spannungsteiler 24 erfaßt somit den Target­ spannungs-Istwert, während der Spannungsteiler 25 den Biasspannungs- Istwert erfaßt. Beide Istwerte werden jeweils zugeordneten Meßverstärkern 30 bzw. 31 zugeführt, deren Ausgangssignale mit dem Targetspannungs- Sollwert U _TS bzw. dem Biasspannungs-Sollwert U _BS verglichen werden. Mit 41 ist eine Vergleichsstelle von U _BI und U _BS und mit 42 eine Vergleichsstelle von U _TI und U _TS bezeichnet.

Die Regelabweichung wird den Verstärkern 32 bzw. 33 zugeführt. Die Ausgangssignale dieser Verstärker 32, 33 werden variablen Widerständen 34, 35 zugeführt, die im einfachsten Fall aus Potentiometern 36, 37 oder stufenweise schaltbaren Widerständen bestehen, die von einem Motor an­ getrieben werden. Als variable Widerstände 34, 35 können auch regelbare Röhren oder regelbare Leistungshalbleiter dienen. Die variablen Wider­ stände 34, 35, die eine Last darstellen, sind über Verbindungsleitungen 38 bzw. 39 und über die Filter 18 bzw. 19 zu den Elektroden 3 bzw. 9 parallelgeschaltet. durch Vergrößern bzw. Verkleinern dieser Widerstände 34, 35 können die Target- und die Bias-Spannung stetig geregelt werden.

Der Vorteil der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung besteht darin, daß die Target- bzw. Bias-Spannung über die variablen Bypass-Widerstände 34 bzw. 35 rückwirkungsfrei geregelt werden, d. h. die Elektrode 3 beeinflußt nicht die Elektrode 9 und umgekehrt, und beide Elektroden 3, 9 beeinflussen nicht den Hochfrequenzgenerator 1.

Für die Einstellung der Bias-Spannung sind auch andere Methoden denkbar, beispielsweise das Verstellen des Kondensators 16 in der Anpaßschal­ tung 8, jedoch sind diese Methoden nur für kleine Bereich quasi rück­ wirkungsfrei. Streng genommen würde dies die Anpassung des Netzwerks an die Elektrode 9 verändern, was einen instabilen Betrieb der Anordnung zur Folge haben könnte.

In der Fig. 2 ist eine Variante der Anordnung gemäß Fig. 1 dargestellt, bei welcher die variable Widerstand 35 für die Einstellung der Bias- Spannung eine regelbare Röhre 40 ist. Anstelle der Röhre 40 könnte auch ein Transistor eingesetzt werden. Diejenigen Bauelemente, die mit den Bau­ elementen der Fig. 1 funktionsmäßig übereinstimmen, sind mit denselben Bezugszahlen wie in der Fig. 1 versehen. Der Verstärker 33 verändert den zwischen Kathode und Anode der Röhre 40 wirksamen Widerstand durch Veränderung des Heizstroms der Röhre 40, der vom Verstärker 33 über den Heizfaden der Röhre 40 und den Widerstand 43 fließt. Je heißer die Kathode ist, desto mehr Elektronen fließen zur Anode. Der Widerstand 44 begrenzt den Strom durch die Röhre 40.

Die Fig. 3 zeigt das Regelverhalten der Anordnung nach Fig. 2. Die obere Kurve stellt den Verlauf der Ist-Gleichspannung U _BI am Spannungsteiler 25 in Abhängigkeit von der Zeit dar, während die untere den Verlauf der vom Hochfrequenzgenerator 1 abgegebenen Leistung über der Zeit zeigt. Man erkennt hierbei, daß bei Änderungen der HF-Leistung, die z. B. ver­ fahrensbedingt für die Targetelektrode notwendig sind, die Bias-Spannung auf einen konstanten Wert geregelt wird. Würde die dem System zuge­ führte Vorwärts-HF-Leistung P _V sprunghaft verändert, so würde sich auch die Bias-Spannung mit ändern. Aufgrund der Regelung ergibt sich die im oberen Teil der Fig. 3 dargestellte Reaktion, d. h. diese Kurve U _TI (t) ist die Reaktion der Bias-Spannung und deren Ausregelung.

In der Fig. 4 ist somit als Stellglied der Kondensator 16 in der Anpaß­ schaltung 8 verwendet. Die Bias-Spannung läßt sich z. B. von 32 Volt bis 60 Volt verstellen, wobei die Targetspannung von 860 Volt auf 900 Volt ansteigt. Die vertikalen gestrichelten Linien kennzeichnen den aus­ nutzbaren Verstellbereich unter der Voraussetzung, daß die Rückwärts­ leistung P _R am Hochfrequenzgenerator 1 nicht über 20 W ansteigen soll, was etwa 1% der verwendeten Vorwärtsleistung P _V entspricht. Die Schnitt­ punkte dieser Linien mit den Kurven U _BI bzw. U _TI zeigen an, in welchem Bereich sich die Bias-Spannung U _BI verstellen läßt und wie groß der Ein­ fluß auf die Targetspannung U _TI ist.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 ist als Stellglied der Kondensator 17 in der Anpaßschaltung 8 verwendet. Die Bias-Spannung läßt sich hierbei von 36 Volt bis 60 Volt verändern, wobei die Targetspannung von 860 Volt auf 890 Volt ansteigt. Auch hier kennzeichnen die vertikalen gestrichelten Linien den ausnutzbaren Verstellbereich unter den bei Fig. 4 genannten Voraussetzungen.

Die Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der als Stellglied der Koppelkonden­ sator 7 verwendet wird. Die Bias-Spannung läßt sich von 105 Volt bis 71 Volt verändern, wobei die Targetspannung von 990 Volt auf 570 Volt abfällt.

In der Fig. 7 ist eine Anordnung dargestellt, bei der als Stellglied ein veränderbarer Widerstand 35 verwendet wird. Die Bias-Spannung läßt sich hierbei von 0 Volt bis 108 Volt verändern, wobei die Targetspannung von 820 Volt auf 855 Volt ansteigt. Die Rückwärtsleistung bleibt über den gesamten Bereich unverändert.

Vergleicht man die Fig. 4 bis 7, so ist festzustellen, daß die er­ findungsgemäße Verwendung eines veränderbaren Widerstands parallel zur Elektrode den größten Verstellbereich ermöglicht und am wenigsten Rück­ wirkung auf die andere Elektrode und den Hochfrequenzgenerator 1 zeigt.

Claims (16)

1. Einrichtung für die Regelung der Targetgleichspannung und der Bias­ gleichspannung von Sputteranlagen mit einer Target-Elektrode und einer Bias-Elektrode, wobei beide Elektroden mit einem Wechselstromgenerator verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wechsel­ spannung, die sich an der Target-Elektrode (3) einstellende Targetgleich­ spannung und die sich an der Bias-Elektrode (9) einstellende Biasgleich­ spannung unabhängig voneinander regelbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ passung des Wechselstromgenerators (1) nicht verändert wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung der sich an den Elektroden (3, 9) einstellenden Gleichspannungen jeweils parallel zu einer Elektrode (3, 9) eine veränderbare Last (34, 35) geschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die veränder­ bare Last ein veränderbarer ohmscher Widerstand ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die veränder­ bare Last eine regelbare Röhre (40) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Target-Elektrode (3) und dem Wechselstromgenerator (1) eine Anpaß­ schaltung (2) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bias-Elektrode (9) und dem Wechselstromgenerator (1) eine Anpaßschaltung (8) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpaßschaltungen (2, 8) jeweils einen Sparübertrager (4, 15), einen hierzu parallel geschalteten Kondensator (6, 16) und einen weiteren Kon­ densator (5, 17) aufweisen, der zwischen die Parallelschaltung aus Spar­ übertrager (4, 15) und Kondensator (6, 16) einerseits und die jeweilige Elektrode (3, 9) andererseits geschaltet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der regelbaren Last (34, 35) und der jeweiligen Elektrode (3, 9) ein Tiefpaß­ filter (18, 19) geschaltet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Soll- Targetspannung (U _TS ) bzw. eine Soll-Biasspannung (U _BS ) mit einer Ist- Targetspannung (U _TI ) bzw. einer Ist-Biasspannung (U _BI ) verglichen und die Differenz für die Ansteuerung einer regelbaren Last (34, 35) ver­ wendet wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist- Targetspannung (U _TI ) bzw. die Ist-Biasspannung (U _BI ) über jeweils einen Spannungsteiler (24, 25) gewonnen werden, der hinter einem Filter (18, 19) angeordnet ist, das mit der jeweiligen Elektrode (3, 9) in Verbindung steht.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist- Spannungen (U _TI , U _BI ) jeweils einen Meßverstärker (30, 31) zugeführt sind, dessen Ausgang mit einem Soll-Ist-Vergleicher (41, 42) in Ver­ bindung steht.

13. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpaß­ schaltungen (2, 8) über einen Kondensator (7) miteinander verbunden sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ver­ änderbare Last (34, 35) von einem Verstärker (32, 33) angesteuert wird.

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel­ stromgenerator (1) ein Hochfrequenzgenerator ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hoch­ frequenzgenerator (1) bei den Industriefrequenzen 13,56 MHz oder 27,12 MHz arbeitet.