DE4029984A1 - Vorrichtung zur herstellung duenner schichten mit hochfrequenzenergie und spannungsversorgungseinheit dafuer - Google Patents
Vorrichtung zur herstellung duenner schichten mit hochfrequenzenergie und spannungsversorgungseinheit dafuerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung
dünner Schichten mit zwei gegenüberliegenden Elektroden,
denen Hochfrequenzenergie zugeführt wird. Insbesondere, je
doch nicht ausschließlich, betrifft die vorliegende Erfin
dung eine sogenannte Hochfrequenz-Bias-Sputtervorrichtung,
bei der zum Ausführen eines Hochfrequenz-Vorspannungs-
Sputtervorganges einer Substratelektrode und einer Target
elektrode Hochfrequenzenergie zugeführt wird.
Ein typisches Beispiel einer herkömmlichen Hochfrequenz-
Bias-Sputtervorrichtung ist in der JP-OS 63-(1988)-18 071
beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird sowohl einer Tar
getelektrode als auch einer Substratelektrode von einer
Stromversorgung Hochfrequenzenergie als Targetvorspannung
bzw. Substratvorspannung zugeführt. Um ein Bias-Sputtern
auszuführen, muß die Hochfrequenzenergie den Elektroden
gleichzeitig zugeführt werden.
Wenn auf diese Weise die Hochfrequenzenergie der Target
elektrode zugeführt wird, entsteht zwischen der Targetelek
trode und der Substratelektrode ein Hochfrequenz-Entladungs-
Plasma. Aufgrund des Unterschiedes zwischen der Beweglich
keit der Ionen und der der Elektronen sammeln sich am Target
mehr Ionen als am Substrat, so daß in der Umgebung des Tar
gets ein Kathoden-Dunkelraum ausgebildet wird. Auf der Ober
fläche des Targets wird daher eine negative Vorspannung in
duziert, die dazu führt, daß die Targetoberfläche aufgrund
der Wirkung des elektrischen Feldes von Ionen bombardiert
wird, wodurch Teilchen freigesetzt werden. Wenn die Hochfre
quenzenergie der Substratelektrode zugeführt wird, wird ent
sprechend die Oberfläche des Substrates mit Ionen bombar
diert, wodurch das sogenannte Rücksputtern ausgeführt wird.
Beim Bias-Sputtern ermöglicht es somit die Einstellung der
Energiezuführung zu den Elektroden, daß die Wirksamkeit der
Plasma-Einschließung hoch ist und daß über einer unregel
mäßigen Oberfläche des Substrates eine dünne Schicht ausge
bildet wird.
Es ist empirisch bekannt, daß die Entladung stabilisiert
wird und die Leistungsfähigkeit steigt, wenn die den einzel
nen Elektroden zugeführten Hochfrequenzenergien eine be
stimmte Phasendifferenz aufweisen. Eine Anordnung, bei der
diese Erkenntnis berücksichtigt ist, ist im IBM Technical
Disclosure Bulletin Vol. 14, 1031 (1971) beschrieben. Bei
dieser Anordnung wird der Substratelektrode und der Target
elektrode von derselben Hochfrequenz-Energiequelle die
Energie jeweils über ein Kabel zugeführt, dessen Länge
geeignet gewählt ist.
Die den Elektroden zugeführte Hochfrequenzenergie wird je
doch leicht durch Änderungen in den Schichtbildungsparame
tern beim Beginn und im weiteren Verlauf des Sputterns pha
senverschoben, auch wenn der Substratelektrode und der Tar
getelektrode die Hochfrequenzenergie von derselben Energie
quelle unter Einstellung der jeweiligen Kabellänge für eine
bestimmte Phasenbeziehung zugeführt wird. Die Entladung ist
daher instabil.
Andererseits stiegen die Anforderungen an die Eigenschaften
dünner Schichten in der letzten Zeit stark an, da solche
Schichten zunehmend funktionelle Verwendung finden. Eine
instabile Entladung beeinflußt jedoch die Eigenschaften der
ausgebildeten Schicht stark und ist daher strikt zu vermei
den. Es ist erforderlich, zu diesem Zweck auch die Entla
dungsparameter genau nach vorgegebenen Werten zu steuern.
Aus der JP-OS 59 (1984) 2 05 477 ist eine weitere Anordnung
bekannt, bei der durch Anlegen von Hochfrequenzenergien mit
verschiedenen Phasen an die Targetelektrode und die Sub
stratelektrode einer Hochfrequenz-Bias-Sputtervorrichtung
über einem Substrat eine gleichmäßige dünne Schicht ausge
bildet wird.
Bei dieser Anordnung wird die Hochfrequenz-Ausgangsspannung
einer Spannungsversorgungseinheit aufgeteilt, um sie über
eine Phaseneinstellvorrichtung der Targetelektrode und der
Substratelektrode zuzuführen. Dazu ist in jedem Zuleitungs
kabel auf dem Weg zur entsprechenden Elektrode eine Phasen
erfassungsschaltung vorgesehen. Die Ausgangssignale dieser
Phasenerfassungsschaltungen werden einem Phasendifferenz
detektor eingegeben, der eine Spannung erzeugt, die dem
Phasenunterschied zwischen den Hochfrequenzspannungen pro
portional ist. Der Sputtervorgang kann dadurch mittels der
Phaseneinstellvorrichtung unter Aufrechterhaltung der Pha
sendifferenz zwischen den Hochfrequenzspannungen für die
beiden Elektroden auf einem vorgegebenen Wert ausgeführt
werden.
Dabei wird zwar der Phasenunterschied zwischen den den Elek
troden zugeführten Hochfrequenzspannungen konstant gehalten,
die in die Energiezuführungskabel eingefügten Phasenerfas
sungsschaltungen werden jedoch von der Induktivität und der
Kapazitanz der Kabel beeinflußt. Es ist daher nicht möglich,
jede durch eine Änderung im Entladungszustand herbeigeführte
Änderung der Phase exakt zu erfassen. Eine stabile Entladung
kann folglich auch mit dieser Anordnung nicht erhalten wer
den, so daß auch damit keine dünnen Schichten mit guten
Eigenschaften ausgebildet werden können.
Bei dieser Anordnung werden darüberhinaus von der Phasenein
stellvorrichtung die Phasen der in den Energiezuführungska
beln zugeleiteten Hochfrequenzspannungen direkt eingestellt,
weshalb die Phaseneinstellvorrichtung für hohe Spannungen
ausgelegt werden muß. Das hat zu Folge, daß die Phasenein
stellvorrichtung relativ groß und teuer ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstel
lung dünner Schichten zu schaffen, mit der es möglich ist,
durch Änderungen im Entladungszustand verursachte Änderungen
in der Phase der angelegten Hochfrequenzspannungen zu er
fassen, ohne daß Induktivitäten und Kapazitanzen von Zulei
tungskabeln eine Rolle spielen, so daß eine exakte Phasen
steuerung ausführbar ist, die sowohl Änderungen in den
Schichtbildungsparametern als auch anderen Einflüssen im
Verlauf der Schichtabscheidung entsprechen kann.
Dabei soll die Phasensteuerung bei relativ geringer Spannung
möglich sein, um das Ausmaß und den Aufwand der bzw. für die
Spannungsversorgungseinheit zu verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vor
richtung zur Herstellung dünner Schichten mit einer Evaku
iereinrichtung, zwei gegenüberliegenden Elektroden und einer
Hochfrequenzspannungs-Zuführeinrichtung zum Zuführen von
Hochfrequenzspannungen an die Elektroden und Erzeugen einer
Entladung zwischen den Elektroden zur Abscheidung einer
Schicht. Die Vorrichtung enthält eine Einrichtung zur Er
fassung von Änderungen in der Entladung, um das Ausmaß von
Änderungen in der Entladung an jeder der Elektroden als
Spannung aufzunehmen, und eine Phaseneinstellvorrichtung zum
Erfassen des Phasenunterschiedes zwischen den den Elektroden
zugeführten Hochfrequenzspannungen entsprechend den festge
stellten Spannungen und zum relativen Verschieben der Phase
der den Elektroden zugeführten Hochfrequenzspannungen ent
sprechend dem Unterschied zwischen dem festgestellten Pha
senunterschied und einem Sollwert.
Vorzugsweise enthält die Hochfrequenzspannungs-Zuführein
richtung einen Hochfrequenzoszillator, einen ersten Verstär
ker zum Verstärken des Ausganges des Oszillators und zur
Ausgabe einer ersten Hochfrequenzspannung, sowie einen zwei
ten Verstärker zum Verstärken des Ausgangs des Oszillators
und zur Ausgabe einer zweiten Hochfrequenzspannung. Die Ein
richtung zur Erfassung von Änderungen in der Entladung weist
Überwachungssensoren auf, die an den jeweiligen Elektroden
zur Erfassung der Spannung der Elektroden vorgesehen sind.
Die Phaseneinstellvorrichtung ist zwischen dem Oszillator
und dem ersten oder zweiten Verstärker angeordnet, weshalb
die Phaseneinstellung bei relativ kleinen Spannungen vorge
nommen wird. Dadurch kann die Größe der Phaseneinstellvor
richtung verringert werden. Die Phase jeder der den ent
sprechenden Elektroden zugeführten Hochfrequenzspannung
ändert sich in den vorgesehenen Komponenten beträchtlich,
das heißt insbesondere in Anpaßgliedern mit einem Anpaß
netzwerk, Hochfrequenzzuleitungen und Verbindungselementen.
Aus diesem Grund erfassen die Überwachungssensoren ihre
Signale direkt an den Elektroden und geben sie als Rückkop
pelsignale aus.
In einer anderen Ausführungsform kann die Phaseneinstellvor
richtung eine Differenzerfassungseinrichtung zum Feststellen
der Differenz zwischen dem Phasenunterschied der Hochfre
quenzspannungen und dem Sollwert und einen Phasenschieber
zum Verschieben der Pase am Ausgang des einen Verstärkers
enthalten, so daß die durch die Differenzerfassungseinrich
tung festgestellte Differenz verringert wird.
Die Vorrichtung zur Herstellung dünner Schichten kann des
weiteren eine Optimalwerteinstelleinrichtung zum Einstellen
eines Optimalwertes als Sollwert entsprechend den einzelnen
Schritten der Schichtherstellung enthalten. In jedem dieser
Schritte kann somit eine Optimalwertsteuerung erfolgen.
Vorzugsweise ist eine der Elektroden eine Targetelektrode
und die andere eine Substratelektrode zum Hochfrequenz-
Bias-Sputtern.
Es ist mit anderen Worten erfindungsgemäß eine Hochfrequenz-
Spannungsversorgungseinheit vorgesehen, die mit zwei gegen
überliegenden Elektroden verbunden ist, die zur Herstellung
dünner Schichten in einer Vakuumkammer angeordnet sind, um
Hochfrequenzspannungen zur Erzeugung einer Entladung zuzu
führen, so daß über einem Substrat auf einer der Elektroden
eine Schicht ausgebildet wird. Die Spannungsversorgungs
einheit umfaßt einen Hochfrequenzoszillator; einen ersten
Verstärker zum Verstärken des Ausgangs des Oszillators und
zur Ausgabe einer Hochfrequenzspannung; einen zweiten Ver
stärker zum Verstärken des Ausgangs des Oszillators und zur
Ausgabe einer zweiten Hochfrequenzspannung; sowie eine Pha
seneinstellvorrichtung, die zwischen dem Oszillator und
einem der beiden Verstärker vorgesehen ist, um die Phase der
Ausgangsspannung des jeweiligen Verstärkers zu verschieben.
Die der Targetelektrode und der Substratelektrode zugeführte
Hochfrequenzspannung sind vorzugsweise in der Frequenz je
weils gleich. Es ist deshalb günstiger, einen einzigen Os
zillator zu verwenden, da die üblichen Quarzoszillatoren in
der Frequenz nicht exakt übereinstimmen.
Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des Hochfrequenzteiles einer
Hochfrequenz-Bias-Sputtervorrichtung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer
Phaseneinstellvorrichtung in der Schaltung der Fig.
1;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer modifizierten Form einer
Spannungsversorgungseinheit in der Schaltung der Fig.
1; und die
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer für die Vorrichtung der
Fig. 1 verwendeten Steuereinheit.
Die Fig. 1 zeigt eine Hochfrequenz-Bias-Sputtervorrichtung
mit einer Vakuumkammer 1 zum Sputtern, Hochfrequenzenergie
quellen 14 und 15, Anpaßglieder 18 und 19, eine Phasenein
stellvorrichtung 10 und Überwachungssensoren 20 und 21.
In der Vakuumkammer 1 sind eine Targetelektrode 2 und eine
Substratelektrode 3 vorgesehen, wobei erstere ein Targetele
ment 4 als Basismaterial für eine abzuscheidende Schicht und
letztere ein oder mehrere Substrate 5 aufweist, auf denen
die Schicht auszubilden ist. Über das Anpaßglied 18 wird der
Targetelektrode 2 Hochfrequenzenergie von der Hochfrequenz
quelle 14 zugeführt. Auf die gleiche Weise erhält die Sub
stratelektrode 3 über das Anpaßglied 19 Hochfrequenzenergie
von der Hochfrequenzquelle 15.
Die Hochfrequenzenergiequelle 14 besteht aus einem Oszil
lator 11 und einem Verstärker 12, der das Ausgangssignal des
Oszillators 11 verstärkt. Die Hochfrequenzenergiequelle 15
ist mit einem Verstärker 13 versehen, der das Ausgangssignal
des Oszillators 11 verstärkt, das über eine Signalleitung 17
von der Phaseneinstellvorrichtung 10 zugeführt wird.
Die Überwachungssensoren 20 und 21 bestehen aus LC-Elemen
ten. Der Überwachungssensor 20 ist mit der Targetelektrode 2
verbunden, während der Überwachungssensor 21 mit der Sub
stratelektrode 3 verbunden ist. Die Ausgangssignale der
Überwachungssensoren 20 und 21 werden jeweils über Überwa
chungskabel 22 und 23 zu der Phaseneinstellvorrichtung 10
geliefert.
Die Überwachungssensoren 20 und 21 aus LC-Elementen schnei
den die Hochfrequenzkomponenten mittels einer Induktivität L
ab und dividieren und geben die Spannung der Elektrode über
eine Kapazität C aus.
Durch die zugeführte Hochfrequenzenergie wird im Raum 6 zwi
schen der Substratelektrode 3 und der Targetelektrode 2 ein
Hochfrequenz-Entladungsplasma erzeugt. Durch die aus dem
Targetelement 4, dem mehr Energie zugeführt wird, herausge
schlagenen Teilchen wird auf der Oberfläche des Substrates 5
eine Schicht abgeschieden. Die Oberfläche des Substrates 5
wird auf die gleiche Weise durch Rücksputtern abgetragen. Da
jedoch die der Substratelektrode 3 zugeführte Hochfrequenz
energie relativ klein ist, wird im Ergebnis auf dem Substrat
eine Schicht ausgebildet, da die Menge an abgeschiedenem
Targetmaterial größer ist als die Menge an abgetragenem Sub
stratmaterial.
Wenn das Substrat und das Target bezüglich der Hochfrequenz-
Erzeugungsphase und der Frequenz gleich sind, ist die Hoch
frequenz-Spannungsversorgungs-Oszillationsfrequenz meist
etwas verschoben, und die Phase ändert sich auf dem Weg
entsprechend der Hochfrequenzbeschaltung und den Lastzu
ständen. Um dies zu vermeiden, wird die Ausgangsspannung des
Oszillators 11 der Hochfrequenzenergiequelle 14 gemeinsam
benutzt. Die Oszillator-Ausgangsspannung wird aufgeteilt,
und eine der Spannungen wird zum Verstärker 12 in derselben
Quelle 14 geführt, während die andere über das Signalkabel
16 zur Phaseneinstellvorrichtung 10 gegeben wird. In der
Phaseneinstellvorrichtung 10 wird diese Spannung in der
Phase so eingestellt, daß sie einem Signal von einem äußeren
Einstellelement 24 entspricht, und dann über das Signalkabel
17 zum Verstärker 13 der anderen Hochfrequenzenergiequelle
15 gegeben.
Die beiden Hochfrequenz-Ausgangsspannungen werden jeweils zu
einer der Elektroden 2 und 3 geführt.
Die Elektroden 2 und 3 sind mit Überwachungssensoren 20 und
21 ausgestattet. Elektrische Änderungen in den Elektroden 2
und 3 werden somit von den Überwachungssensoren 20 und 21
erfaßt und der Phaseneinstellvorrichtung 10 als Rückkoppel
signale eingegeben.
In der Phaseneinstellvorrichtung 10 wird der Phasenunter
schied durch einen Vergleich der Ausgangssignale aus den
Überwachungssensoren 20 und 21 erfaßt, und es wird die
Differenz zwischen dem erfaßten Phasenunterschied und einem
durch das Einstellelement 24 vorgegebenen Sollwert festge
stellt. Entsprechend der festgestellten Differenz wird das
Ausgangssignal des Oszillators 11 in der Phase verzögert
oder vorgeschoben und dann zum Verstärker 13 der Quelle 15
gegeben.
Auf diese Weise wird eine Änderung im Entladungszustand von
den Überwachungssensoren 20 und 21 erfaßt. Entsprechend dem
Ausmaß der Änderung wird der Phasenunterschied zwischen den
den Elektroden 2 und 3 zugeführten Hochfrequenzspannungen
eingestellt und damit die Entladung aufrechterhalten. Durch
Wiederholen dieses Vorganges wird jede Verschiebung in der
Phasenbeziehung zwischen den Hochfrequenzspannungen aufgrund
von Änderungen im Entladungszustand automatisch korrigiert.
Die Verschiebung in der Phasenbeziehung bezieht sich nicht
nur auf die Verschiebung von Phasen, die gleich gewesen
sind, sondernd auch auf eine Änderung des Phasenunterschie
des, der vorher eingestellt wurde. Im allgemeinen tritt
letzterer Fall häufiger auf als ersterer.
Bei dieser Ausführungsform wird die Phase der der Target
elektrode 2 und der Substratelektrode 3 zugeführten Hoch
frequenzspannung jeweils auf einem vorgegebenen Wert gehal
ten. Die Phasenbeziehung wird durch Andern des am Einstell
element 24 eingestellten Wertes auf den gewünschten Wert
vorgegeben.
Wenn sich während des Schichtbildungsprozesses die Vorspan
nung oder die angelegten Spannungen ändern, ändert sich auch
die optimale Phasenbeziehung zwischen den Elektroden 2 und
3. Vorzugsweise wird daher der vom Einstellelement 24 vorge
gebene Sollwert so geändert, daß die Phasen der angelegten
Hochfrequenzspannungen diesen Änderungen entsprechen. Zu
diesem Zweck kann das Einstellelement 24 so aufgebaut sein,
daß der eingestellte Sollwert während des Schichtbildungs
prozesses geändert werden kann.
Wenn zum Beispiel der Sputtervorgang in der Reihenfolge des
Reinigens, Vorsputterns, Nicht-Bias-Sputterns und Bias-Sput
terns vor sich geht, ändern sich die Parameter wie die Ent
ladungsimpedanz notwendigerweise entsprechend. Zu diesem
Zweck ist es vorteilhaft, ein Programm zu erstellen, das den
optimalen Phasenunterschied bestimmt, um beim Fortschreiten
des Sputtervorganges immer die optimale Phasenbeziehung in
den einzelnen Schritten zu haben. Der optimale Phasenunter
schied wird entsprechend dem Programm gewählt. Diese Steue
rung kann mit einer Steuereinheit ausgeführt werden, die mit
einem Mikrocomputer ausgerüstet ist, wie es im folgenden
noch beschrieben wird. Der Mikrocomputer führt vorzugsweise
das Programm wechselweise mit der Steuerung des Sputtervor
ganges aus.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Phasenunter
schied zwischen der Targetelektrode 2 und der Substratelek
trode 3 wie beschrieben auf einen gewünschten Wert einge
stellt und aufrechterhalten werden. Es ist somit möglich,
den Phasenunterschied so einzustellen, daß eine optimale und
höchste Vorspannung erhalten wird, so daß die Wirksamkeit
der Plasma-Einschließung verbessert wird. Eine Verbesserung
der Wirksamkeit der Plasma-Einschließung erhöht die Abschei
derate und verbessert auch die Eigenschaften der Schichten,
wie die Schichtdickenverteilung und die Kristallinität.
Darüberhinaus wird bei dieser Ausführungsform eine Änderung
des Plasmas während der Entladung als Potentialsignal durch
die Überwachungssensoren 20 und 21 an den Elektroden 2 und 3
festgestellt, wodurch solche Änderungen sicher entdeckt
werden. Dies unterscheidet sich grundsätzlich von dem Fall,
daß in den Energiezuführungsleitungen Überwachungssensoren
vorgesehen sind. In einem solchen Fall ist die Feststellung
von Änderungen im Plasma erheblich durch Impedanzen wie der
Induktivität des Kabels beeinflußt. Bei der beschriebenen
Ausführungsform kann jedoch nicht nur die Phase, sondern
auch jeder andere Parameter der Hochfrequenzspannung exakt
eingestellt werden. Es können somit stabile Schichtbildungs
zustände geschaffen werden.
Zur Erfassung einer Änderung im Entladungszustand werden bei
der vorliegenden Ausführungsform in jeder Elektrode Überwa
chungssensoren 20 und 21 mit LC-Elementen eingesetzt. Die
Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau begrenzt. Bei
spielsweise kann die Spannung an jeder Elektrode durch einen
großen Widerstand abgeteilt werden. Die abgeteilten Spannun
gen werden mit einem vorgegebenen Zyklus abgetastet und in
Digitalwerte umgewandelt, die dann mittels eines Mikrocom
puters oder dergleichen zur Feststellung des Phasenunter
schiedes verglichen werden.
Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform die Hochfre
quenzenergiequellen 14 und 15 und die Phaseneinstellvor
richtung 10 getrennte Einheiten sind, können diese Elemente
auch in einer gemeinsamen Hochfrequenz-Spannungsversorgungs
einheit zusammengefaßt werden. Diese Spannungsversorgungs
einheit kann aus den gleichen Elementen wie bei der Schal
tung der Fig. 1 aufgebaut sein. Das heißt, daß die Span
nungsversorgungseinheit, die durch die strichpunktierte
Linie in der Fig. 3 angezeigt ist, den Oszillator 11, die
beiden Verstärker 12 und 13 und die Phaseneinstellvorrich
tung 10, die ein Phasenunterschiedseinstellelement enthält,
umfaßt. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 wird der Aus
gang des Oszillators 11 in zwei Ausgangsspannungen aufge
teilt, von denen eine zum Verstärker 12 geführt wird. Die
andere wird über die Phaseneinstellvorrichtung 10 dem Ver
stärker 13 eingegeben. Auch bei dieser modifizierten Span
nungsversorgungseinheit ist die Phaseneinstellvorrichtung 10
mit dem äußeren Einstellelement 24 und den Überwachungs
sensoren 20 und 21 verbunden.
Auch bei diesem Aufbau einer Spannungsversorgungseinheit
erfolgt die Phaseneinstellung an einem Oszillatorausgang mit
niedriger Spannung, weshalb die Phaseneinstellvorrichtung 10
klein und einfach aufgebaut sein kann, was auch die Ausmaße
der gesamten Spannungsversorgungseinheit verringert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Phaseneinstellvorrich
tung, die bei den Schaltungen der Fig. 1 und 3 verwendet
werden kann, wird nun anhand der Fig. 2 beschrieben.
Die bevorzugte Phaseneinstellvorrichtung 10 enthält einen
Phasendifferenzdetektor 31, einen Differenzverstärker 32,
einen Phasenschieber 30 und ein äußeres Einstellelement 24.
Der Phasendifferenzdetektor 31 stellt den Phasenunterschied
zwischen den Ausgangssignalen der Überwachungssensoren 20
und 21 fest, die durch die Überwachungskabel 22 und 23 zuge
führt werden. Die Differenz zwischen dem festgestellten
Phasenunterschied und dem vom Einstellelement 24 vorgegebe
nen Sollwert wird im Differenzverstärker 32 verstärkt. Durch
den Phasenschieber 30 wird die Ausgangsspannung des Oszilla
tors 11 entsprechend der verstärkten Differenz in der Phase
nach vorne oder hinten verschoben. Durch Wiederholung dieses
Vorganges wird die Phase am Oszillatorausgang entsprechend
der Rückkoppelsteuerung automatisch nachgestellt, bis das
Ergebnis der Detektion mit dem Sollwertsignal übereinstimmt.
Bei dieser Phaseneinstellvorrichtung 10 kann das Einstell
element 24 beispielsweise ein Potentiometer oder eine poten
tiometrische Steuerung sein, das bzw. die innerhalb oder
außerhalb der Phaseneinstellvorrichtung 10 vorgesehen sein
kann. Wie bereits erwähnt kann auch ein Steuersignal von
einem Mikrocomputer als Sollwertsignal verwendet werden.
Die in der Fig. 2 gezeigte Phaseneinstellvorrichtung 10 ist
mit mehreren Anschlüssen versehen, nämlich mit zwei Ein
gangsanschlüssen 10a und 10b, zu denen die Überwachungskabel
22 und 23 führen, einem Eingangsanschluß 10c, der mit dem
Oszillator 11 verbunden ist, um den Oszillatorausgang zuzu
führen, einem Ausgangsanschluß 10d, um dem Verstärker 12 ein
erstes Ausgangssignal (⌀ = 0) zuzuführen, dessen Phase nicht
verschoben ist, und einem Ausgangsanschluß 10e, um ein zwei
tes Ausgangssignal an den Verstärker 13 abzugeben, dessen
Phase ⌀ innerhalb eines Bereiches von ±180° verschoben ist.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist die Erfindung
auf Hochfrequenz-Bias-Sputtervorrichtungen angewendet, sie
ist jedoch nicht auf solche Vorrichtungen beschränkt.
Beispielweise kann die Erfindung auch auf Hochfrequenz-
Sputtervorrichtungen mit gegenüberliegenden Targets ange
wendet werden.
Die Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Steuereinheit zur Steuerung
des Schichtbildungsprozesses bei der vorliegenden Erfindung.
Die Steuereinheit enthält eine Zentraleinheit (CPU) 41, ei
nen Speicher 42, ein Eingangs-Interface 43 und ein Ausgangs-
Interface 44.
Über eine Abtast- und Halteschaltung 45 und einen Analog-
Digital-Konverter 46 werden die Informationen, die eine
Änderung im Entladungszustand der Targetelektrode 2 anzei
gen, vom Überwachungssensor 20 zum Eingangs-Interface 43
gegeben. Auf die gleiche Weise werden Informationen, die
eine Änderung im Entladungszustand der Substratelektrode 3
anzeigen, über eine Abtast- und Halteschaltung 47 und einen
Analog-Digital-Konverter 48 vom Überwachungssensor 21 zum
Eingangs-Interface 43 gegeben. Das Eingangs-Interface 43 ist
außerdem mit einer Eingabevorrichtung 50 wie einer Tastatur
zur Eingabe verschiedener Befehle und Parameter verbunden.
Am Ausgangs-Interface 44 ist ein Phasenschieber 49 ange
schlossen, der ähnlich funktioniert wie der Phasenschieber
30 der Fig. 2. Das Ausgangs-Interface 44 kann darüberhinaus
mit einem Bildschirm, einem Drucker oder anderen Peripherie
geräten, je nach Bedarf, in Verbindung stehen.
Im Speicher 42 sind verschiedene Programme und Daten gespei
chert, nämlich ein Prozeßverwaltungsprogramm 421, um den
Fortgang des Sputtervorganges zu verwalten; ein Phasenbe
ziehungs-Einstellprogramm 422 zum Einstellen der Phasenbe
ziehungen zwischen den von den Hochfrequenz-Spannungsquellen
14 und 15 ausgegebenen Spannungen; andere Steuerprogramme
423 sowie verschiedene Daten 424 wie die zur Ausführung der
obigen Programme erforderlichen Parameter.
Das Phasenbeziehungs-Einstellprogramm 422 steuert die Pha
senbeziehungen zwischen den Spannungen in Übereinstimmung
mit dem Fortgang des Sputterns gemäß dem Prozeßverwaltungs
programm 421. Im Phasenbeziehungs-Einstellprogramm 422 sind
die optimalen Phasenbeziehungen in einer Tabelle enthalten,
um entsprechend auf jeden Schritt des Sputtervorganges zu
reagieren, wie dem Reinigen, Vorsputtern, Nicht-Bias-Sput
tern und Bias-Sputtern.
Die Steuerung des Schichtbildungsprozesses erfolgt durch
Ausführen des Phasenbeziehungs-Einstellprogramms 422. Dabei
bestimmt die CPU 41 zuerst den Phasenunterschied zwischen
den Spannungssignalen von der Targetelektrode 2 und der
Substratelektrode 3. Als nächstes wird der Phasenunterschied
mit dem optimalen Phasenunterschied verglichen, der für den
entsprechenden Sputter-Schritt vorgesehen ist, und gegebe
nenfalls die Differenz festgestellt, die dann als Phasen
schieber-Führungsgröße ausgegeben wird. Dieses Signal wird
über das Ausgangs-Interface 44 zum Phasenschieber 49 gesen
det.
Der Phasenschieber 49 stellt den Phasenunterschied zwischen
der Targetelektrode 2 und der Substratelektrode 3 entspre
chend dem Wert der Führungsgröße ein.
Diese Ausführungsform ermöglicht es, Änderungen in den
Schichtbildungszuständen durch Einstellen des Phasenunter
schiedes zwischen den beiden Elektroden, denen eine Hoch
frequenzspannung zugeführt wird, zu steuern. Die Änderungen
in den Schichtbildungszuständen beruhen auf Änderungen im
Entladungszustand. Es ist daher möglich, eine Schicht unter
stabilen Bedingungen abzuscheiden.
Darüberhinaus ist es möglich, eine optimale und höchstmög
liche Vorspannung einzustellen, so daß die Wirksamkeit des
Plasmaeinschlusses erhöht ist. Die höhere Wirksamkeit des
Plasmaeinschlusses erhöht wiederum die Abscheiderate und
verbessert die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht,
etwa die Schichtdickenverteilung.
Vorzugsweise gibt die Phaseneinstellvorrichtung das Phasen
einstellsignal in Reaktion auf die an die Elektroden ange
legte Vorspannung und eine Hochfrequenzenergie-Selbstab
stimmung (Auto-Tuning genannt) aus, auch wenn sich die Impe
danz des Hochfrequenzkreises aufgrund des Entladungszustan
des der Last ändert. In diesem Fall gibt die Phaseneinstell
vorrichtung ein Phaseneinstellsignal so aus, daß eine der
zugeführten Spannungen in der Phase nach vorne oder hinten
verschoben wird.
Zur Erhöhung der Genauigkeit ist es günstig, in der Span
nungsteilerschaltung für jedes Überwachungssignal eine
Korrekturfunktion vorzusehen, da die Signale einer Änderung
durch die Entladungsimpedanz unterliegen.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Herstellung dünner Schichten mit einer
Evakuiereinrichtung (1), einem Paar gegenüberliegender Elek
troden (2, 3) und einer Hochfrequenz-Spannungszuführein
richtung (14, 15) zu den Elektroden, um eine Entladung
zwischen den Elektroden zu erzeugen und eine dünne Schicht
abzuscheiden, gekennzeichnet durch
- - eine Erfassungseinrichtung (20, 21) zur Feststellung von Änderungen in der Entladung, die das Ausmaß einer Änderung in der Entladung als Spannung an jeder der Elektroden (2, 3) aufnimmt; und durch
- - eine Phaseneinstellvorrichtung (10) zur Feststellung eines Phasenunterschiedes zwischen den den Elektroden zugeführ ten Hochfrequenzspannungen entsprechend den festgestellten Spannungen und zur relativen Verschiebung der Phase der den Elektroden zugeführten Hochfrequenzspannungen entspre chend der Differenz zwischen dem erfaßten Phasenunter schied und einem Sollwert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Hochfrequenz-Spannungszuführeinrichtung einen Hochfre quenzoszillator (11), einen ersten Verstärker (12) zum Verstärken der Ausgangsspannung des Oszillators und Ausge ben einer ersten Hochfrequenzspannung und einen zweiten Verstärker (13) zum Verstärken der Ausgangsspannung des Oszillators und Ausgeben einer zweiten Hochfrequenz spannung aufweist; daß
- - die Phaseneinstelleinrichtung (10) zwischen dem Oszillator (11) und einem der beiden Verstärker (12, 13) angeordnet ist, um die Phase einer Ausgangsspannung des einen Ver stärkers zu verschieben; und daß
- - die Erfassungseinrichtung für Änderungen in der Entladung Überwachungssensoren (20, 21) enthält, die an den jeweili gen Elektroden (2, 3) zum Erfassen der Spannungen an den Elektroden vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Phaseneinstellvorrichtung (10) einen Phasendifferenzde
tektor (31) zur Erfassung der Differenz zwischen dem Phasen
unterschied der Hochfrequenzspannungen und dem Sollwert so
wie einen Phasenschieber (30) zum Verschieben der Phase der
Ausgangsspannung des einen Verstärkers derart, daß die durch
den Phasendifferenzdetektor erfaßte Differenz verringert
wird, aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine
Optimalwert-Einstelleinrichtung zum Einstellen des Optimal
wertes für jeden Schritt der Schichtbildung als Sollwert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine der Elektroden die Targetelektrode (2)
und die andere der Elektroden die Substratelektrode (3) für
ein Hochfrequenz-Bias-Sputtern ist.
6. Hochfrequenz-Spannungsversorgungseinheit, die mit einem
Paar von gegenüberliegenden Elektroden (2, 3) verbunden ist,
die in einer Vakuumkammer (1) einer Vorrichtung zur Herstel
lung dünner Schichten angeordnet sind, um Hochfrequenzspan
nungen zur Erzeugung einer Entladung zuzuführen und auf
einem Substrat (5) auf einer der Elektroden eine Schicht
abzuscheiden, gekennzeichnet durch
- - einen Hochfrequenzoszillator (11);
- - einen ersten Verstärker (12) zum Verstärken der Ausgangs spannung des Oszillators und Ausgeben einer ersten Hoch frequenzspannung;
- - einen zweiten Verstärker (13) zum Verstärken der Aus gangsspannung des Oszillators und Ausgeben einer zweiten Hochfrequenzspannung; und durch
- - eine Phaseneinstellvorrichtung (10) zwischen dem Oszil lator (11) und einem der beiden Verstärker (12, 13), um die Phase der Ausgangsspannung des einen Verstärkers zu verschieben.
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