DE4230779A1 - Anordnung zum Löschen von Lichtbögen in einer Vakuum-Beschichtungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Löschen von Lichtbögen in einer Vakuum- Beschichtungsanlage.

Bei Gleichstrom-Sputteranlagen, die eine Kathode und eine Anode aufweisen, kommt es oft zu Überschlägen, bei denen sich ein Strom einen elektrisch leitenden Kanal im Plasma sucht, der sich zwischen Anode und Kathode befindet. Insbesondere bei dem sogenannten reaktiven Beschichten eines Substrats, beispielsweise mit Siliziumoxid (SiO₂), treten der­ artige Überschläge relativ oft auf. Ursache hierfür ist der Umstand, daß neben dem Sub­ strat selbst auch Teile der Sputteranlage, wie etwa die Innenwand der Prozeßkammer oder Teile von Blenden mit elektrisch nichtleitenden oder schlecht leitenden Materialien be­ schichtet werden.

Um größeren Schaden von einer Sputteranlage fernzuhalten, wird deshalb die Stromzufuhr nach dem Auftreten eines Überschlags abgeschaltet (Douglas S. Schatz: The MDX as a Strategy Tool in Reducing Accing, Schrift der Advanced Energy Industries, Inc., 1985).

Eine vereinfachte Methode zum Abschalten des Entladungsstroms bei einer Zwei-Elektroden-Anordnung besteht darin, daß mit Hilfe von Thyristoren ein künstlicher Kurzschluß zwischen Elektroden durchgeführt wird (DE-P 41 27 505.5).

Bei einer anderen Schaltungsanordnung zum Unterdrücken von Lichtbögen in einem Plas­ ma wird der Augenblickswert der Spannung der Plasmastrecke mit einem Spannungswert verglichen, der einer über eine vorgegebene Zeit ermittelten mittleren Plasmaspannung entspricht. Übersteigt die Differenz zwischen dem Augenblickswert einen vorgegebenen Wert, so wird die Plasmastrecke von der Spannungsquelle getrennt (DE-P 41 27 504.3).

Weiterhin wurde vorgeschlagen, bei einer Gleichstrom-Sputteranlage zwischen dem nega­ tiven Pol der Gleichstromquelle und der Kathode eine Parallelschaltung aus Induktivität und Widerstand sowie zwischen der Kathode und der Anode einen Kondensator vorzu­ sehen (DE-P 40 42 289.5). Die Aufgabe der Induktivität soll hierbei darin bestehen, die Kathodenspannung während des Kurzschlußverlaufs drastisch zu reduzieren und damit die Löschung eines eventuellen Bogens zu ermöglichen. Mit dem Kondensator zwischen Ano­ de und Kathode soll erreicht werden, daß die durch den Sputterprozeß induzierten Hoch­ frequenz-Spannungs- und Stromschwingungen, die zu Überschlägen und Bogenentladun­ gen führen, kurzgeschlossen werden.

Wie Messungen gezeigt haben, werden die Bogenentladungen jedoch weniger durch das Kurzschließen der hochfrequenten Spannungen verhindert, als durch eine Umladung des Kondensators. Indem der Kondensator seine Ladung ändert, kehrt er die Spannung zwischen Kathode und Anode um und unterbricht auf diese Weise den Strom zwischen Kathode und Anode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltungsanordnung für einen überschlagsfreien Betrieb einer Sputteranlage zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß der zwischen Anode und Kathode geschaltete Kondensator so bemessen ist, daß sich kein Lichtbogen einstellen kann. Schon bei einem kurzen Überschlag, d. h. bereits in der Entstehungsphase des Licht­ bogens, wird der Kondensator entladen und seine Energie zum Aufbau eines magnetischen Feldes in der Induktivität zwischen Anode und Kathode verbraucht. Die beim Abbau die­ ses magnetischen Feldes freiwerdende Energie, vermindert um die beim Überschlag in der Entladungsstrecke verbrauchte Energie, fließt wieder in den Kondensator und lädt diesen auf eine verminderte Spannung auf. Durch den immer noch in gleicher Richtung fließen­ den Strom ergibt sich eine Umpolung der Kondensatorspannung, so daß kein Überschlag mehr auftreten kann.

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

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Verhindern von Überschlägen in einer Sputter- Anlage;

Fig. 2 eine Variante der Anordnung nach Fig. 1, bei der eine zusätzliche Maßnahme zum Verhindern von Überschlägen durchgeführt ist.

In der Fig. 1 ist eine Sputteranlage 1 dargestellt, die ein Vakuumgehäuse 2 mit einem Gas­ einlaßstutzen 3 und einem Gasauslaßstutzen 4 aufweist. Der Gasauslaßstutzen 4 ist mit einer nicht dargestellten Pumpe verbunden, welche einen bestimmten Gasdruck in der Vakuumkammer 2 aufrechterhält. Über den Gaseinlaßstutzen wird ein Gas, vorzugsweise ein Edelgas, z. B. Argon, in die Vakuumkammer 2 eingegeben.

In der Vakuumkammer 2 liegen sich eine Kathode 5 und eine Anode 6 gegenüber. Die Kathode 5 umschließt eine Scheibe 7 aus einem bestimmten Material, das zerstäubt bzw. gesputtert werden soll. Auf der Anode 6 befindet sich ein Substrat 8, auf dem sich die Sputterprodukte niederschlagen.

Kathode 5 und Anode 6 sind über Leitungen 9, 10 mit einer Stromversorgung 11 verbun­ den, die eine Gleichspannung abgibt. Nimmt man an, daß zwischen der Kathode 5 und der Anode 6 ein Kurzschluß auftritt, der durch die Ausbildung eines Überschlag-Kanals im Plasma zwischen Anode und Kathode hervorgerufen wurde, so fließt zunächst der Strom durch die Drossel 12 weiter zur Kathode 5. Da die Kathoden-Anoden-Strecke kurzge­ schlossen ist, entlädt sich nun der Kondensator 13, der vorher auf der Spannung der Strom­ versorgung 11 lag. Die Plasmastrecke zwischen Kathode und Anode besitzt eine Induktivi­ tät. Zusammen mit den Induktivitäten der Leitungen 9, 10 bewirkt diese, daß der Strom auch dann noch für eine bestimmte Zeit weiterfließt, wenn der Kondensator 13 vollständig entladen ist. Hierdurch wird der Kondensator 13 wieder aufgeladen, jedoch in umgekehrter Richtung, so daß eine Spannung am Kondensator 13 entsteht, die der ursprünglichen Span­ nung entgegengerichtet ist.

Die maximal am Kondensator 13 entstehende Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen ist jedoch geringer als die ursprüngliche Spannung, weil aus der Stromversorgung 11 ein Strom I₁ und dann ein Strom I₂ nachgeliefert wird. Wegen der Drossel 12, die einen starken Stromanstieg verhindert, ist der Strom, der den Kondensator 13 wieder mit seiner ursprünglichen Polarität versehen will, zunächst relativ klein.

Der Kondensator 13 muß in der Lage sein, die in den Induktivitäten der Leitungen 9, 10 und die in der Induktivität der kurzgeschlossenen Plasmastrecke gespeicherte magnetische Energie als elektrische Energie aufzunehmen. Da die magnetische Energie 1/2 L I² _max ist, wobei L die Gesamt-Kurzschlußinduktivität darstellt, die elektrische Energie am Konden­ sator aber 1/2 C U² _max beträgt, gilt bei Energiegleichheit

LI² _max = CU² _max.

Diese Bedingung ist für jedes L und jedes C erteilt, weil durch einen entsprechenden Strom I_max und/oder eine entsprechende Spannung U_max die Gleichheit gewährleistet werden kann. Die Resonanzfrequenz des aus L und C gebildeten Schwingkreises beträgt, wie man durch Umformung von C U² _max in Q²/C und Differentiation der resultierenden Gleichung nach t sowie Lösung der sich ergebenden Differentialgleichung ersieht,

Da die Schwingungsdauer T_res = 1/f_res ist, ergibt sich diese zu

Die Umpolung des Kondensators sollte innerhalb einer Zeit stattfinden, die in der Größen­ ordnung derjenigen Zeit liegt, die für einen Anoden-Kathoden-Überschlag gilt. Da die Vorwachsgeschwindigkeit einer Entladung etwa 300 km je Sekunde beträgt, ist eine Strecke von ca. 1 m in ca. 3,3 _* 10^-6 Sekunden durchlaufen. Für Sputteranlagen beträgt die Überschlagszeit somit etwa zwischen 1 µs und 15 µs. Nimmt man eine Zeit von 7 µs an, so errechnet sich die Kapazität unter der Voraussetzung, daß T_res = 1/2 T_Laufzeit, zu etwa

C = 3 _* 10^-13 sec²/L.

Der Wert der Kurzschlußinduktivität wird an der Anlage gemessen, wodurch C vollständig bestimmt ist.

Die am Kondensator 13 sich aufbauende und entgegengerichtete Spannung nimmt aller­ dings, wie bereits oben erwähnt, nicht dieselbe Höhe an wie die Spannung im Normalbe­ trieb. Durch das Umpolen des Kondensators wird der Überschlag für eine bestimmte Zeit unterbrochen; ein Teil der Energie geht in den Überschlag, und ein anderer Teil wird über die Induktivität 12 an die Stromversorgung 11 abgegeben.

Der Kondensator 13 bleibt indessen nicht stets im umgepolten Zustand. Vielmehr versucht er dann, wenn er die gesamte Energie der Induktivität des Schwingkreises aufgenommen hat, diese wieder abzugeben. Seine umgepolte Spannung reicht indessen nicht aus, um einen Überschlag in umgekehrter Richtung auszulösen. Somit wird diese Spannung all­ mählich durch den zufließenden Strom 12 wieder abgebaut und in die ursprüngliche Polari­ tät zurückgebracht. Die Anlage kann jetzt wieder im Normalbetrieb arbeiten.

Die Spule 12 wird so dimensioniert, daß bei einem Kurzschluß ein schneller Stromanstieg verhindert wird. Sie dient außerdem zur wechselspannungsmäßigen Entkopplung zwischen der Stromversorgung 11 und der Anlage 1 bzw. sie bildet eine quasi-stromkonstante Ein­ speisung während der Umschwingungszeit. Die Spule 12 ist in vorteilhafter Weise als Eisenkerndrossel mit Luftspalt ausgebildet. Sie stellt nicht nur für die Zeit des Überschlags eine Stromanstiegsbegrenzung dar, sondern bildet zusätzlich mit dem Kondensator 13 zu­ sammen ein LC-Filter. Die Auslegung dieses LC-Filters erfolgt auf eine niedrigere Fre­ quenz als die Überschwingfrequenz des Resonanskreises aus dem Kondensator 13 und der Überschlagstrecke. Beispielsweise kann sie 1/16 dieser Frequenz betragen. Im Hinblick auf eine möglichst kurze Unterbrechung des Sputtervorgangs sollte die LC-Filterseite unter 1000 µs liegen, worauf sich eine Frequenz von f₀< 1 kHz ergibt.

Die C- und L-Werte sind durch die Dimensionierung der Anlage bedingt. Hat die Kathode 5 etwa eine Länge von 750 mm und eine Breite von 280 mm, so ergibt sich bei einer Stromversorgungs-Leistung von 30 kW für die Spule 12 ein Wert von 1 mH, während sich für den Kondensator 13 ein Wert von 3 µF ergibt.

Die Überschläge, auch "Arcing" genannt, sind nicht nur auf die Anoden-Kathoden-Strecke beschränkt, sondern können auch z. B. zwischen einer Elektrode und einer Wand des Pro­ zeßraums auftreten. Hierdurch können nicht alle auftretenden Kurzschlußströme vorher simuliert und meßtechnisch erfaßt werden. In der Praxis bedeutet dies, daß trotz der Maß­ nahme der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 ab und zu noch Überschläge auftreten.

Um auch für einen solchen Fall eine Lösung anbieten zu können, ist in der Fig. 2 eine Variante der Erfindung dargestellt, die zusätzliche Bauteile enthält.

In dieser Fig. 2 ist eine Sputteranlage 1 gezeigt, die eine Vakuumkammer 2 mit einem Gaseinlaßstutzen 3 und einem Gasabsaugstutzen 4 aufweist. Der Gasabsaugstutzen 4 steht mit einer nicht gezeigten Pumpe in Verbindung, wobei die Vakuumkammer 2 unter einem bestimmten Gasdruck gehalten wird. Durch den Gaseinlaßstutzen 3 wird ein Reaktivgas eingeführt, das mit den abgesputterten Teilchen eine Verbindung eingeht.

Eine Kathode 5 ist zur Anode 6 in einem Winkel von 90 Grad angeordnet. Es wäre aller­ dings auch eine Anordnung wie in Fig. 1 möglich. Auf der Anode 6, die als Drehteller aus­ gebildet sein kann, befindet sich das zu beschichtende Substrat 8. Ein Target 7, aus dem die Teilchen herausgeschlagen werden, welche mit dem Reaktivgas eine Verbindung ein­ gehen, steht direkt mit der Kathode 5 in Verbindung. Kathode 5 und Anode 6 sind mit einer Gleichstromversorgung 11 verbunden, wobei die Anode 6 über die Leitung 10 direkt an den Pluspol der Gleichstromversorgung 11 angeschlossen ist, während die Kathode 5 über eine Drossel 14, eine Diode 15 und die Drossel 12 am Minuspol der Gleichstromver­ sorgung 11 liegt. Zwischen der Verbindungsleitung 10, welche die Anode 6 mit der Strom­ versorgung verbindet, und der Kathode der Diode 15 liegt der Kondensator 13. Der Kon­ densator 13 wird über die Drossel 12 aus der Stromversorgung 11 aufgeladen. Die am Kondensator 13 anstehende Spannung wird während der Aufladungsphase des Kondensa­ tors 13 über die Leitungen 9, 10 und über die Induktivität 12 der Plasmastrecke zwischen Kathode 5 und Anode 6 zugeführt.

Durch Oxidation auf dem Target 7 der Kathode 5 bilden sich gewissermaßen kleine Kon­ densatoren mit begrenzter Durchschlagsfestigkeit aus, deren eine Kondensatorplatte die Oxidationsschicht und deren andere Platte das Target 7 ist. Werden diese Kondensatoren während des Sputterns zu sehr aufgeladen, brechen sie durch und lösen sich durch Ver­ dampfen auf. Dieser Metall- oder Metalloxiddampf bildet einen niedrigeren Widerstand im Plasma und führe letztlich zu einem Lichtbögen oder "Arc" 16. Das Plasma erlischt hier­ auf. Durch den Lichtbögen würde ohne besondere Maßnahmen die Stromversorgung 12 kurzgeschlossen.

Nimmt man an, daß bei der in der Fig. 2 gezeigten Vorrichtung zwischen Kathode 5 und Anode 6 ein Kurzschluß auftritt, so spielen sich folgende Vorgänge ab.

Durch den Kurzschluß bzw. Überschlag steigt der Strom 13 und damit der Strom 14 des entstehenden Lichtbogens sehr schnell an, wobei der Kondensator 13 entladen wird. Durch die Induktivität 14 wird indessen verhindert, daß der Strom allzu schnell ansteigt und wo­ möglich die Diode 15 zerstört. Außerdem setzt die Induktivität 14 die Schwingungsfre­ quenz herab, die sich durch das Zusammenwirken der Induktivitäten der Leitungen 9, 10 und der Kathoden-Anoden-Strecke sowie der Kapazität des Kondensators 13 ergibt. Die Kapazität des Kondensators 18, die auf den Schwingungsstrom abgestimmt ist, muß somit auf den Kurzschlußfall abgestimmt werden.

Die Induktivität 12, die während des Umschwingvorgangs als Strombegrenzungselement dient, entkoppelt im Falle des Auftretens eines Überschlags die Stromversorgung 11 von dem eigentlichen Anoden-Kathoden-Stromkreis. Der Strom 13 fließt während des Feldab­ baus in den Induktivitäten der Leitungen 9, 10 sowie in den Induktivitäten 12, 14 und der Induktivität der Anoden-Kathoden-Strecke weiterhin. Hierdurch wird der durch den Über­ schlag entladene Kondensator 13 über die Diode 15 wieder aufgeladen, und zwar mit um­ gekehrter Polarität, was durch die gestrichelten Symbole + und - angedeutet ist. Eine er­ neute Entladung in umgekehrter Richtung über die Anoden-Kathoden-Strecke wird folg­ lich durch die Diode 15 verhindert. Diese Diode 15 hat somit eine mit einer Freilaufdiode bei Relaisschaltungen vergleichbare Funktion.

Bis zur erneuten Umladung des Kondensators 13 über die Entkopplungs-Drossel 12 tritt eine Strompause zwischen Anode 6 und Kathode 5 ein, d. h. 13 wird zu Null.

Während dieser Strompause löst sich die niedrige Impedanz zwischen Anode 6 und Katho­ de 5 auf, so daß die ursprünglichen Verhältnisse wieder hergestellt sind. Hat der Konden­ sator 13 voll seine ursprüngliche Spannung erreicht, läuft der Sputtervorgang in der übli­ chen Weise ab.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist bezüglich ihrer Hauptwirkung mit der Schal­ tungsanordnung gemäß Fig. 1 identisch, d. h. es findet bei einem Kurschluß oder Über­ schlag zwischen der Anode 6 und der Kathode 5 oder zwischen einer der beiden Elektro­ den und einer anderen Stelle der Vakuumkammer 2 zunächst eine Entladung des Konden­ sators 13 statt. Nach dieser Entladung findet eine Aufladung mit umgekehrter Polarität statt, so daß sich die Spannung zwischen Anode und Kathode umkehrt, wodurch die Fun­ kenstrecke erlischt.

Eine Rückzündung, d. h. eine Funkenstrecke in umgekehrter Richtung wird jedoch durch die Diode 15 ausgeschlossen. Solche Rückzündungen treten bisweilen bei einer Anord­ nung gemäß Fig. 1 auf.

Es versteht sich, daß eine Plasmastrecke außer einer Induktivität auch noch Kapazitäten und Widerstände aufweist (Rutscher/Deutsch: Plasmatechnik, Grundlagen und Anwendun­ gen, 1984, S. 352, Bild 5.78). Diese Kapazitäten und Widerstände können jedoch bei Kurzschluß in erster Näherung vernachlässigt werden. Außerdem sind auch sie meßbar und können bei der Belastung des Kondensators 13 leicht berücksichtigt werden.

Claims (12)

1. Anordnung zum Löschen von Lichtbögen in Vakuum-Beschichtungsanlagen mit einer Anode und einer Kathode, die mit einer Gleichstromquelle verbunden sind, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Kondensator geschaltet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (13) so ausgelegt ist, daß sie die Energie aufnehmen kann, die im Kurzschlußfall von den Zuleitungen (9, 10) und einer Überschlag­ strecke (16) abgebaut wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgebaute Energie eine magnetische Energie ist, die durch die Überschlagsinduktivität und die Induktivität der Zu­ leitungen (9, 10) bestimmt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapa­ zität des Kondensators (13) und die Induktivitäten der Überschlagstrecke (16) und der Zu­ leitungen (9, 10) einen Schwingkreis bilden, dessen halbe Schwingungsdauer etwa der Zeit entspricht, die der Überschlag für seine Ausbildung benötigt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle und der Kathode eine Induktivität (12) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (12) derart bemessen ist, daß bei Kurzschluß eine Umpolung des Kondensators (13) gewährleistet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, Anspruch 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (12) mit dem Kondensator (13) ein LC-Filter bildet, dessen Frequenz etwa 1/16 der Umschwingfrequenz ist.

7. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterzeit des Filters (12, 13) kleiner als 1000 µs ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode (5) und dem Kondensator (13) eine Diode (15) geschaltet ist, deren Kathode an dem Konden­ sator (13) liegt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode der Diode (15) und der Kathode (5) der Sputterkammer (2) eine Induktivität (14) geschaltet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität eine Eisenkerndrossel mit Luftspalt ist.

11. Verfahren zur Dimensionierung des Kondensators in einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zwischen Anode (6) und Kathode (5) ein Kurzschluß erzeugt und die Kurzschlußinduk­ tivität gemessen wird;
• b) zwischen Anode (6) und Kathode (5) ein Kurzschluß erzeugt und die Laufzeit des Über­ schlags zwischen Anode (6) und Kathode (5) gemessen und
• c) aus der gemessenen Kurzschlußinduktivität und der gemessenen Laufzeit des Über­ schlags die Kapazität errechnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit des Über­ schlags aus der Entfernung zwischen Anode (6) und Kathode (5) errechnet wird.