WO2008106956A2 - Spannungsversorgung für eine sputteranlage - Google Patents

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WO2008106956A2
WO2008106956A2 PCT/DE2008/000393 DE2008000393W WO2008106956A2 WO 2008106956 A2 WO2008106956 A2 WO 2008106956A2 DE 2008000393 W DE2008000393 W DE 2008000393W WO 2008106956 A2 WO2008106956 A2 WO 2008106956A2
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voltage
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voltage sources
plasma chamber
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Ralf Bandorf
Günter Mark
Michael Vergöhl
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Melec Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/285—Single converters with a plurality of output stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3444—Associated circuits

Definitions

  • the present invention relates to a sputtering system, in particular a magnetron plasma system, which has two voltage sources whose outputs are connected in parallel via a respective bridge.
  • the sputtering system comprises a first voltage source and a second voltage source, the two outputs of which are connected in parallel via a respective bridge.
  • two oppositely connected diodes are arranged, between which a first tap for the power supply is arranged in the plasma chamber.
  • the second tap for the power supply to the plasma chamber is connected to the other bridge.
  • the two voltage sources or these subsequent electronic switches are activated synchronized by a common control.
  • the system according to the invention leads to significantly better results during sputtering, in particular magnetron sputtering, in particular using the HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering) and HIPIMS (High Impact Power Impulse Magnetron Sputtering) method.
  • HPPMS High Power Pulse Magnetron Sputtering
  • HIPIMS High Impact Power Impulse Magnetron Sputtering
  • the use of the invention is also applicable to other plasma processes, e.g. PACVD, plasma nitriding, PVD - ARC (arc evaporator), plasma etching, pulse plating, atmospheric plasma advantageous.
  • PACVD plasma nitriding
  • PVD - ARC arc evaporator
  • plasma etching pulse plating
  • atmospheric plasma advantageous.
  • one voltage source is a controllable DC voltage source and the other voltage source is a controllable DC or pulse voltage source.
  • the other voltage source is a controllable DC or pulse voltage source.
  • any pulse pattern can be generated by appropriate control of the voltage sources, for generating combined rectangular, shege leopard-, and / or sinusoidal voltages.
  • one or both voltage sources may be formed by a voltage source, as described in DE 100 18 879, in which voltage source in turn two controllable DC power supplies are connected to each other via a bridge circuit of electrical circuit breakers.
  • a voltage source is capable of generating pulse patterns of different amplitude in both directions and arbitrary timing.
  • At least one voltage source is provided for supplying power to a plasma chamber, for example the voltage source known from DE 100 18 879.
  • the plasma chamber has one or more cathodes surrounded by a respective anode.
  • the anode can be connected by a switch and / or a diode with a connection lying at a fixed potential.
  • Such a connection can be, for example, the housing of the plasma chamber at ground potential, which is conductively connected to the ground potential of the voltage source.
  • the switch can be controlled by a controller, via which the voltage source is controlled, so that the influence of the plasma field in the plasma chamber by the operation of the switch in the overall control of the system can be considered. In this way it is possible to exert a very strong influence on the result of the coating in the sputtering or plasma system.
  • the plasma and the deposition in a sputtering apparatus in particular a magnetron coating apparatus or an Are evaporator, can be adjusted very individually to different targets, substrates and their geometries.
  • the diode and a switch are connected in parallel or in series between the anode and the defined potential, e.g. the mass, to switch.
  • two anodes are arranged in a plasma chamber.
  • Each of the anodes is connected to a respective bridge of the parallel-connected power supplies.
  • the anodes are additionally connected via switches to ground.
  • the voltage sources are in this case preferably formed by voltage sources, each having two power supplies, which are connected to each other via a bridge circuit of power semiconductors, in order to be able to deliver current pulses in both directions with two different amplitudes.
  • these voltage sources are synchronized with each other via a common control.
  • One of the two voltage sources can also be formed by an AC voltage source, which is formed as follows.
  • An adjustable DC voltage source generates a rectangular pulse in positive and negative directions.
  • This one-period rectangular waveform is converted by a transformer into a full sine wave of higher amplitude.
  • This sine wave voltage of higher amplitude is fed to a rectifier.
  • Its output forms the output of one voltage source and is in turn connected to the other voltage source, each of the connection bridges being connected to a current supply for the plasma chamber.
  • One of the two taps for the plasma chamber may be in the middle of a diode circuit consisting of oppositely connected diodes. In this way it is achieved that in each case only the pulse from the voltage source of higher amplitude is switched through, whereas the other voltage source ge is locked.
  • the voltage sources can also be synchronized via a common control.
  • the latter arrangement is preferably operated in such a way that only complete sine periods are always generated, with the result that the transformer never runs into saturation, as might be the case when a pulse is delivered only over a half-wave.
  • an electrically conductive substrate holder is arranged in the plasma chamber, which is constructed isolated from the plasma chamber and is held on a bias bias, which bias voltage is synchronized with the pulses of the magnetron such that the Bias time maximum only during the pulse duration, preferably in the later or end of the pulse duration is switched on.
  • the bias voltage pulses overlap in the OFF time (TOT time) of the magnetron pulse. If necessary, they can also be activated only in the TOT time.
  • the anode can in turn be short-circuited via switches and / or diodes to the plasma chamber. Due to the bias voltage synchronized with the magnetron pulse, it is possible to use the time of ionization of a sputtered material towards the end of the magnetron pulse for a faster and more targeted deposition of the ions on the substrate.
  • the essential advantage of the invention lies in the possibility of providing any freely definable pulse and voltage patterns for a surface treatment system, eg magnetron plasma or arc evaporator system, which are freely adjustable both in their pulse shape and in their orientation and frequency.
  • a surface treatment system eg magnetron plasma or arc evaporator system
  • the invention will be described below by way of example with reference to the schematic drawings. In this show:
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a voltage supply which can output DC voltage pulses of different amplitude in both directions
  • Fig. Ia Ib 5 is a schematic representation of the voltage source of FIG. 1, as used in the following figures,
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a magnetron plasma system with two voltage sources, which are connected in parallel, wherein the tap diode chamber is via a diode path,
  • FIG. 3 shows a magnetron plasma system according to FIG. 2, in which the second bridge is open, and the corresponding outputs of the two voltage sources are at ground of the plasma chamber and on the anode,
  • FIG. 4 shows a magnetron plasma system with two voltage sources connected in parallel and synchronized via a central control
  • FIG. 5 shows a magnetron plasma system with a power supply, which has a DC voltage source and a voltage source for generating a sine voltage
  • FIG. 6 shows a dual-magnetron plasma system with two cathodes, which are connected in a floating state
  • FIG. 6 a shows the time profile of the voltage of the power supply from FIG. 6
  • FIG. 7 shows a magnetron plasma system in which a substrate holder is additionally provided, which is under a bias voltage with respect to the plasma chamber, which is driven in synchronization with high-current pulses of the magnetron plasma system.
  • FIG. 8a shows a pulse pattern that can be generated with the dual magnetron sputtering system from FIG. 8, FIG.
  • FIG. 9 shows a dual magnetron sputtering system with three voltage sources for generating interfering pulse patterns of different frequency and orientation, FIG. 9a-9d interfering pulse patterns which can be generated with the system according to FIG. 9, and FIG. 9
  • FIG. 10 shows a surface treatment system for substrates with one or more anode / cathode pairings, ion concentration detection in the plasma chamber and central control and regulation.
  • FIG. 1 shows a power supply unit 10 for a plasma system with two DC power supply units DC1, DC2 whose outputs are stabilized by capacitors C1, C2 on the one hand.
  • these capacitances due to their high capacitance of eg 1000 to 10,000 ⁇ F at voltages between 200 and 2000 V, provide the necessary charge to achieve the required pulse currents, which is sometimes desirable for achieving a desired degree of ionization in a plasma chamber.
  • the voltage V 1 is applied to the DC power supply DC 1, while the voltage V 2 is applied to the DC power supply DC 2.
  • the positive output of the first DC power supply DCl is connected via a series circuit of two power transistors Tl, T4 to the negative output of the DC power supply DC2.
  • the negative output of the first DC power supply DCl via a series circuit of two power transistors T2, T3 with the positive output of the second DC power supply DC2 connected.
  • the outputs routed to a plasma system are located midway between the series circuits T1 T4, T2 T3 and are limited in current dynamics by inductors L1, L2 in order to protect both the electronic circuit breakers and the plasma system itself and the substrates SU therein.
  • a current collector SA is still connected, whose output signal is supplied to a control, not shown, for driving the power switches Tl to T4, in order to realize a control, ie a feedback-controlled control.
  • the switches S1, S2 in the bridges can also be controlled by the control of the voltage source, whereby the operating modes for obtaining a desired plasma can be electronically controlled. By operating the switches S1, S2 in the bridges, different operating modes with symmetrical or asymmetrical voltage pulse heights can be made possible.
  • Such a voltage source is very suitable as at least one controllable of two voltage sources for generating DC voltage or high pulse voltages.
  • the circuit diagram shown in Fig. Ia is used, wherein the DC voltage sources DCl and DC2, the two DC voltage sources DCl 5 DC2 describe in FIG. 1.
  • the circuit diagram shown in Fig. Ib is used, it being understood that in a magnetron sputtering process, the voltage source 10 due to electronic control of the switches S1, S2 can also drive in both modes of operation, ie switching can take place during the sputtering process.
  • the switches S1, S2 can also be designed as simple bridges in order to enable a symmetrical and asymmetrical operating mode.
  • DC1 thus denotes the parallel connection of DC1 and DC2 or represents only a DC voltage supply.
  • Fig Ia symbolizes the connection of two DC voltage sources (DC1, DC2) where S1 and S2 in Fig. 1 are open.
  • DC1 and S2 in Fig. 1 are open.
  • Sl and Sl in Fig. 1 is closed and only a DC voltage source DCl is connected. If necessary, DC2 can be connected in parallel to increase the power.
  • FIG. 2 shows a parallel circuit of this voltage source 10 with a DC voltage source 12 whose outputs are connected in parallel via two bridges 14, 16.
  • a DC voltage source 12 whose outputs are connected in parallel via two bridges 14, 16.
  • two diodes Dl, D2 connected against each other are arranged, in the middle of which the tap 18 for the cathode 20 of the plasma chamber 22 is located.
  • An anode 24 surrounding the cathode 20 can also be connected via a switch SmI to the housing 26 of the plasma chamber 22, which is at the same potential as the ground of the two voltage sources 10, 12.
  • arbitrary pulse patterns can be generated in which a DC voltage Udcl from the voltage source 10 is superimposed on a pulse voltage Udc2 from the voltage source 10.
  • FIG. 2 a shows the DC voltage generated by the voltage source 12, while FIG. 2 b shows the pulse pattern generated by the voltage source 10.
  • a pulse pattern ( Figure 2c) at the power supply inputs 21, 23 of the plasma chamber 22 is achieved, which achieves a superposition of the two voltage patterns of Fig.2a and Fig. 2b. This is because the diodes pass the higher voltage from the two voltage sources, whereas the lower voltage signal is blocked.
  • FIGS. 2d. 2f Examples from a multiplicity of slow functional processes f (t) * are shown in FIGS. 2d. 2f, which can be realized with the system according to FIG.
  • FIG. 3 shows a system 30 which is largely identical to FIG. 2.
  • the difference from FIG. 2 is that the second outputs of the voltage source are not connected to the second bridge 16 as in FIG. 2, but the second output 33 of the voltage source 12 is connected to the anode 24, while the output 31 of the first voltage source 10 is connected to the housing 26 of the plasma chamber.
  • the two voltage sources 10, 12 can be switched synchronized via a synchronization device 34, wherein the synchronization device 34 does not directly switch the voltage source 12 for generating a freely selectable pulse pattern, but a switch 35 located in its output.
  • the parallel connection of the second terminals of the two voltage sources 10, 12 takes place via the plasma formed in the plasma chamber 22. This also leads to advantageous effects in the plasma formation and thus to the individual adaptability of the deposition of different substances on substrates of different geometry and material properties.
  • a similar pulse pattern as shown in FIG. 2 can be generated in the arrangement 40 according to FIG. 4 by two DC voltage sources 10, which are synchronized via a central controller 34.
  • This arrangement in contrast to the circuit of Figure 2, in which at least the voltage Udc permanently applied over the entire sputtering time, further has the advantage that in the temporal voltage curve in addition to the voltages of the two voltage sources 10 and in the meantime, a voltage of OV let represent. This is achieved when both power sources 10 are turned off by the central controller 34 for a desired period as shown in Figs. 4a and 4b.
  • FIG. 5 shows a magnetron arrangement comprising a first DC voltage source 10 and a second voltage source 38 which generates a sine voltage over a full period, ie a full sine wave.
  • the second voltage source consists of a voltage source 10 according to FIG. 1, which is controlled by the controller only for generating a double square pulse with different signs, such as a rectangular "sine curve".
  • the square wave is transferred via a transformer 42 into a due to the transformer characteristic in a sine wave voltage, wherein it is also transformed to a higher voltage and rectified in a downstream rectifier 44.
  • the output of the rectifier 44 forms the output of the second voltage source 38 and is connected in parallel with the output of the first voltage source 10 via two bridges 14, 16, wherein in the first bridge 14 again a diode path with oppositely arranged diodes Dl, D2 ange- is arranged, between which the tap 18 to the terminal 21 of the cathode 20 of the plasma chamber 22 is arranged.
  • the second terminal 23 of the plasma chamber 22 is connected directly to the anode '24, which in turn via the switch SmI to ground 26 is connected.
  • the switch SmI can be operated by the central controller 34 in synchronization with the voltage sources.
  • the power supply of the illustrated magnetron plasma system feeds the connections 21, 23 of the plasma chamber 22 with the pulse course shown in FIG. 4a, the voltage being plotted over time.
  • FIG. 6 shows a dual magnetron system with two voltage sources 10 according to FIG. 1, which are controlled synchronized via a common control system 34.
  • the outputs of the voltage sources 10 are connected in parallel via two bridges 14, 16.
  • the first bridge 14 is connected via the first terminal 21 of the plasma chamber 22 to a first cathode 50
  • the second bridge 16 is connected via the second terminal 23 to a second cathode 52, which is arranged at a distance from the first cathode and a Anode 56 has.
  • the anode 54 surrounding the first cathode 50 can be switched to ground 26 via a switch SmI
  • the second anode 56 surrounding the second cathode 52 can likewise be connected to earth via the switch Sm2.
  • switches SmI and Sm2 are also controllable by the central controller 34 in synchronization with the driving of the two voltage sources 10.
  • the voltage curve according to FIG. 6a can be realized, in which again the voltage curve U is reproduced over the time t.
  • the shields and the housing 26 of the plasma chamber 22 act on the formation of the plasma when the switches are closed.
  • a transformer 53 can be connected between the terminals A1 and A2 in order to obtain sinusoidal voltage pulses.
  • Figure 7 shows a special system which is designed for high current pulses, in particular for the HPPMS and HIPIMS method. These processes use extremely strong current pulses, which results in high ionization of the sputtered target material over the course of the pulse.
  • the magnetron plasma system 70 according to FIG. 7 is able to use an anode arrangement of the magnetron according to one of the preceding examples.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c for example, three arrangements are shown which can be inserted at the point 60 into the plasma chamber 22 of the dental trimming unit 70.
  • these are Dual magnetrons having two cathodes 50, 52 according to FIGS. 6 and 8 or around a single cathode 20 (FIG. 7b) whose anode 24 is connected to the housing ground 26 via the parallel connection of a switch Sm and a diode D3.
  • the plasma field in the plasma chamber 22 can be strongly influenced.
  • an electrically conductive substrate holder 64 is arranged insulated, at the upper end of a likewise electrically conductive substrate plate 66 is provided, on which a substrate 68 can be arranged.
  • the substrate plate 66 is held against the plasma chamber 22 by means of a BIAS power supply 72, which may be identical to the voltage source 10 of FIG. 1, held on a bias voltage.
  • the bias voltage is controlled via the central controller 34, which also controls the terminals 21, 23 of the cathodes 50, 52 or 20 of the magnetron according to FIG. 7a, 7b or 7c via the voltage sources 10.
  • the system works as follows.
  • the magnetron generates short high pulses up to several MW.
  • the BIAS power supply 72 is turned on, which has the following effect.
  • the sputtered target material is strongly ionized.
  • the BIAS bias is switched on the power supply 72. This makes it possible to ensure that the ions of the sputtered target material are deposited on the substrate 68.
  • the voltage sources need not be connected in parallel via bridges, but the parallel connection can also be implemented via elements of the plasma chamber, such as the anode and / or housing of the plasma chamber.
  • the parallel connection can in particular also be effected by the plasma in the plasma chamber.
  • the first voltage source 10 may be a DC / pulse voltage source according to FIG. 1.
  • the second and third voltage sources are DC voltage sources 12, 13, which may be regulated or unregulated, and to each of which an electronic switch 82, 84 is arranged downstream.
  • the two electronic switches 82, 84 and the first voltage source 10 can be controlled by a controller 34 in a synchronized manner.
  • the two outputs of the first voltage source 10 are by means of Bridges 14, 16 connected via a respective diode Dl, D2, each having an output of the electronic switches 82, 84, wherein each of the bridges 14, 16 to the cathode terminal 86, 88 each connected to a cathode 50, 52 of the dual magnetron system.
  • the first voltage source 10 may be followed by a transformer 53 in order to obtain sinusoidal voltage peaks.
  • the diode Dl, D2 is in each case arranged between the connection of cathode connection 86,88 and bridges 14, 16 on the one hand and the associated electronic switch 82, 84 on the other hand.
  • the other outputs of the electronic switches 82, 84 are connected via lines 90, 92 to the associated anodes 54, 56.
  • Fig. 8 a can be generated by this arrangement temporally freely controllable pulse patterns in both directions, the amplitudes in both directions may be different.
  • FIG. 9 shows an arrangement with three voltage sources 10, which can be controlled in a synchronized manner via an external control (not shown) and a synchronization device 34.
  • Each of the voltage sources 10 is supplied with two DC power sources DC1 to DC6.
  • the outputs of the three voltage sources 10 are connected in such a way, the two (in the figure, the upper and lower) voltage sources, the anode and cathode terminals Aal, AkI and Ak2 and Aa2 two magnetron plasma or Are evaporator systems (as examples of Anodes / cathode pairings).
  • a transformer 53 can be arranged in each case to increase the voltage at the installations.
  • high-frequency pulses resulting from the direct driving of the systems by the upper and lower voltage source 10 can also be superimposed with pulses Udc3 and Udc4 of higher voltage but significantly lower frequency, as are generated in FIG. 9 by the DC voltage sources DC3 and DC4 of the middle voltage supply 10.
  • the superposition of the high-voltage or high-power pulses (HPPMS) takes place via the average voltage source 10 in FIG. 9 whose voltages of the DC power supplies DC3 and DC4 are applied to the two cathodes AkI, Ak2 of the magnetron or arc evaporator systems.
  • the high-power pulses can be delivered bipolar or unipolar. Any combination of high frequency and high power unipolar and bipolar pulses is possible
  • FIG. 10 shows a plant 100 as a possibility, which is possible with an inventive surface treatment plant.
  • the reference numeral 102 denotes a bank with a plurality of voltage sources 10, as they have already been listed in the previous figures.
  • Each voltage source 10 has a switching arrangement as shown in FIG. 1 and one or two voltage sources according to FIG. 1a or 1b. In the figure, four voltage sources 10 are shown.
  • Their exits lead to a bank 104 of surface treatment plants, e.g. may have one or more magnetron plasma or Are evaporator systems, as z.
  • Figures 7a to 7c As shown in Figures 7a to 7c.
  • the entire system 100 is controlled by a central controller 106, which controls all controllable components of the system 100 in part via a synchronization device 34.
  • the driven devices further include, besides the bank 102 of voltage sources 10, an ion concentration measuring device 108 having a plurality of ion concentration detecting sensors 110.
  • a device 108 may, for. B. be designed as emission spectroscopy system.
  • the controller 106 is connected to a device 112 for video detection of the ion concentration, for. B. a video spectroscopy system, which is also synchronized via the synchronization 34 with the bank 102 controllable.
  • the controller 106 is connected to an RF source 114, which, for. B. is operated at frequencies in the megahertz range.
  • This RF source 114 which is controlled by the controller 106 is connected both to ground of the plasma chamber 22 and to the electrically conductive substrate holder 64, on the upper side of which the likewise conductive substrate plate 66 is arranged, on which the substrate 68 rests.
  • the controller 106 is connected to an additional voltage source 116, which may be formed according to the voltage source in Figure 1, for example.
  • This voltage source 116 is connected to the substrate holder 64 as well as to a surface electrode 118 via switch or bridge arrangement S3 and S4 controllable by the controller 106, which is arranged on the side of the substrate 68 facing away from the bank 104 with the surface treatment systems.
  • the system 110 further includes a lambda probe 120 for oxygen control in the plasma chamber 22

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sputteranlage, umfassend eine erste Spannungsquelle und eine zweite Spannungsquelle, deren zwei Ausgänge miteinander parallel geschaltet sind, wobei in einer Verbindung (14) der ersten Ausgänge der beiden Spannungsquellen (10, 12, 38) zwei gegeneinander geschaltete Dioden (D1, D2) angeordnet sind, zwischen denen ein Abgriff (18) angeordnet ist, der mit einem ersten Anschluss (21) für die Strornzufuhr in eine Plasmakammer (22) verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss (23) für die Stromzufuhr in die Plasmakammer (22) mit der Verbindung (16) der anderen Ausgänge der Spannungsquellen (10, 12, 38) verbunden ist oder die beiden Spannungsquellen (10) oder diesen nachgeordnete elektronische Schalter (82, 84) durch eine gemeinsame Steuerung (34) synchronisiert angesteuert sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Sputteranlage, umfassend wenigstens eine Spannungsquelle (10, 12, 38) für die Stromzufuhr in eine Plasmakammer, in der eine die Kathode (20, 50, 52) umgebende Anode (24, 54, 56) vorgesehen ist, welche Anode durch wenigstens einen Schalter (Sm1, Sm2) und/oder eine Diode (D3) mit einem auf einem definierten Potential liegenden Anschluss, insbesondere mit der Gehäusemasse (26) verbunden ist. Durch beide Anordnungen lässt sich das Plasma und die Abscheidung in einer Magnetron-Beschichtungsanlage sehr individuell auf unterschiedliche Targets, Substrate und deren Geometrien einstellen.

Description

Magnetronplasmaanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sputteranlage, insbesondere eine Magnetronplasmaanlage, die zwei Spannungsquellen aufweist, deren Ausgänge über jeweils eine Brücke miteinander parallel geschaltet sind.
Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sputteranlage, insbesondere eine Magnetron-Sputteranlage zu schaffen, die eine variable Ansteuerung der Anlage zur Erzielung unterschiedlich ausgebildeter Plasmen mit vergleichsweise einfachen Mitteln ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anlage gemäß Anspruch 1 und Anspruch 7 gelöst.
Die erfindungsgemäße Sputteranlage umfasst eine erste Spannungsquelle und eine zweite Spannungsquelle, deren zwei Ausgänge über jeweils eine Brücke miteinander parallel geschaltet sind. In einer der beiden Brücken sind zwei gegeneinander geschaltete Dioden angeordnet, zwischen denen ein erster Abgriff für die Stromzufuhr in die Plasmakammer angeordnet ist. Der zweite Abgriff für die Stromzufuhr in die Plasmakammer ist mit der anderen Brücke verbunden. Alternativ dazu sind die beiden Spannungsquellen oder diesen nach- geordnete elektronische Schalter, durch welche die Spannungsquellen geschaltete werden, durch eine gemeinsame Steuerung synchronisiert angesteuert.
Durch diese sehr einfache Anordnung lässt sich erreichen, dass von den beiden Spannungsquellen lediglich die Spannungsquelle mit einem Signal höherer Spannung durchgeschaltet wird, während die andere Spannungsquelle in dieser Zeit gesperrt wird. Durch entsprechende Ansteuerungen der Spannungsquellen lassen sich somit Pulsmuster unterschiedlicher Höhe erzeugen. Selbstverständlich lassen sich statt zwei Spannungsquellen auch drei oder mehr Quellen auf diese Weise verbinden, wobei in der einen Brücke zwischen jeweils zwei Spannungsquellen die Diodenschaltung vorzusehen ist und die Abgriffe der Dioden dann wiederum über eine Diodenschaltung zusarnmenziifuhren sind, bis lediglich noch ein einziger Abgriff erhalten wird, es lassen sich alle Arten von Pulsmustern mit Gleichspannungs- und Impulsanteilen, Schwebungen zwischen zwei Spannungsverläufen etc. erzielen. Die erfindungsgemäße Anlage fuhrt durch ihre Variabilität zu wesentlich besseren Ergebnissen beim Sputtern, insbesondere Magnetron-Sputtern vor allem unter Anwendung des HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering) und HIPIMS (High Impact Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahrens.
Der Einsatz der Erfindung ist auch für weitere Plasmaverfahren wie z.B. PACVD, Plasma - Nitrieren , PVD - ARC ( Bogenverdampfer ),Plasma - Ätzen , Pulsplating, atmosphärisches Plasma vorteilhaft.
Vorzugsweise ist die eine Spannungsquelle eine regelbare DC-Spannungsquelle und die andere Spannungsquelle eine regelbare DC- oder Pulsspannungsquelle. Auf diese Weise lassen sich mit einfachen Mitteln Pulsmuster relativ beliebiger Art erzeugen, die zu unterschiedlicher Ausbildung des Plasmas in der Plasmakammer führen. Da zumindest eine, vorzugsweise beide Spannungsquellen beliebig regelbar sind, können durch entsprechende Ansteuerung der Spannungsquellen, zur Erzeugung kombinierter Rechteck-, Sägezahn-, und/oder Sinusspannungen beliebige Impulsmuster erzeugt werden.
Vorzugsweise können auch eine oder beide Spannungsquellen durch eine Spannungsquelle gebildet sein, wie sie in der DE 100 18 879 beschrieben ist, bei welcher Spannungsquelle wiederum zwei regelbare Gleichstromnetzteile über eine Brückenschaltung von elektrischen Leistungsschaltern miteinander verbunden sind. Eine derartige Spannungsquelle ist in der Lage, Pulsmuster unterschiedlicher Amplitude in beide Richtungen und beliebiger zeitlicher Steuerung zu erzeugen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist wenigstens eine Spannungsquelle für die Stromzufuhr in eine Plasmakammer vorgesehen, beispielsweise die Spannungsquelle, die aus der DE 100 18 879 bekannt ist. Die Plasmakammer hat eine oder mehrere Kathoden die mit einer jeweiligen Anode umgeben sind. Die Anode kann durch einen Schalter und/oder eine Diode mit einem auf einem fest definierten Potential liegenden Anschluss verbunden werden. Ein derartiger Anschluss kann beispielsweise das auf Massepotential liegende Gehäuse der Plasmakammer sein, die leitend mit dem Massepotential der Spannungsquelle verbunden ist.
Durch diese Anordnung ist es möglich, das Potential der Anode von Floating (ohne festen Potentialbezug) auf ein festes Potential zu ziehen, wodurch ganz erheblich Einfluss auf die Pias- maausbildung genommen wird. Vorzugsweise lässt sich der Schalter über eine Steuerung steuern, über welche auch die Spannungsquelle gesteuert wird, so dass die Beeinflussung des Plasmafeldes in der Plasmakammer durch die Betätigung des Schalters in der Gesamtansteuerung der Anlage berücksichtigt werden kann. Auf diese Weise kann in sehr starkem Maße Einfluss auf das Bescnichtungsergebnis in der Sputter- oder Plasmaanlage genommen werden.
Durch beide oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnungen lassen sich das Plasma und die Abscheidung in einer Sputteranlage, insbesondere Magnetron-Beschichtungsanlage oder Are- Verdampfer sehr individuell auf unterschiedliche Targets, Substrate und deren Geometrien einstellen.
Es kann auch vorgesehen sein, die Diode und einen Schalter parallel oder in Serie zwischen der Anode und dem definierten Potential, z.B. der Masse, zu schalten.
In einer Ausfuhrungsform der Erfindung sind in einer Plasmakammer zwei Anoden angeordnet. Jede der Anoden ist mit jeweils einer Brücke der parallel geschalteten Spannungsversorgungen verbunden. Vorzugsweise sind die Anoden zusätzlich über Schalter mit Masse verbunden. Die Spannungsquellen sind hierbei vorzugsweise durch Spannungsquellen gebildet, die jeweils zwei Netzteile aufweisen, die über eine Brückenschaltung von Leistungshalbleitern miteinander verbunden sind, um auf diese Weise Stromimpulse in beide Richtungen mit zwei unterschiedlichen Amplituden abgeben zu können. Vorzugsweise sind diese Spannungsquellen miteinander über eine gemeinsame Steuerung synchronisiert.
Eine der beiden Spannungsquellen kann auch durch eine Wechselspannungsquelle gebildet sein, die wie folgt ausgebildet ist. Durch eine regelbare DC-Spannungsquelle wird ein Rechteckimpuls in positiver und anschließend negativer Richtung erzeugt. Dieser eine Periode bildende Rechteckverlauf wird über einen Transformator in eine volle Sinuswelle höherer Amplitude gewandelt. Diese Sinusspannung höherer Amplitude wird einem Gleichrichter zugeführt. Dessen Ausgang bildet den Ausgang der einen Spannungsquelle und wird wiederum mit der anderen Spannungsquelle verbunden, wobei jede der Verbindungsbrücken mit einer Stromzu- führung für die Plasmakammer verbunden ist. Eine der beiden Abgriffe für die Plasmakammer kann sich in der Mitte einer Diodenschaltung befinden, die aus entgegengesetzt geschalteten Dioden besteht. Auf diese Weise wird erreicht, dass jeweils nur der Impuls von der Spannungsquelle höherer Amplitude durchgeschaltet wird, wohingegen die andere Spannungsquelle ge- sperrt wird. Alternativ oder zusätzlich hierfür können selbstverständlich die Spannungsquellen auch über eine gemeinsame Steuerung synchronisiert werden.
Die letztgenannte Anordnung wird vorzugsweise derart betrieben, dass jeweils immer nur vollständige Sinusperioden generiert werden, was dazu fuhrt, dass der Transformator niemals in eine Sättigung hineinläuft, wie es der Fall sein könnte, wenn ein Impuls nur über eine Halbwelle abgegeben wird.
In einer Ausfuhrungsform der Erfindung ist in der Plasmakammer zusätzlich zu dem Magnetron noch eine elektrisch leitfahige Substrathalterung angeordnet, die gegenüber der Plasmakammer isoliert aufgebaut ist und auf eine (Bias) Vorspannung gehalten wird, welche Vorspannung mit den Impulsen des Magnetrons derart synchronisiert wird, dass die Vorspannung zeitlich maximal nur während der Pulsdauer, vorzugsweise im späteren oder End-Bereich der Pulsdauer zugeschaltet wird.
Für spezielle Anwendungen ist es auch denkbar, das die Bias Spannungsimpulse überlappend in der OFF - Zeit ( TOT - Zeit ) des Magnetron - Impulses wirksam sind. Gegebenenfalls können sie auch nur in der TOT - Zeit zugeschaltet werden.
Auf diese Weise wird erreicht, dass aufgrund der hohen Pulsstärken des Magnetrons auftretende Ionen der abgesputterten Materialien wirkungsvoll an dem auf dem Substratteller aufliegenden Substrat abgeschieden werden können.
Auch bei diesem Magnetron kann die Anode wiederum über Schalter und/oder Dioden mit der Plasmakammer kurzgeschlossen sein. Durch die mit dem Magnetronimpuls synchronisierte Vorspannung ist es möglich, den Zeitpunkt der Ionisierung eines abgesputterten Materials gegen Ende des Magnetronimpulses für eine schnellere und gezieltere Ablagerung der Ionen auf dem Substrat zu nutzen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, beliebige frei definierbare Impuls- und Spannungsmuster für eine Oberflächenbehandlungsanlage, z.B. Magnetron-Plasmaoder Arc-Verdampfer-Anlage, bereitzustellen, die sowohl in ihrer Pulsform als auch in ihrer Orientierung und Frequenz frei einstellbar sind. Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnungen beschrieben. In dieser zeigen:
Figur 1 einen Schaltplan einer Spannungsversorgung, die Gleichspannungspulse unterschiedlicher Amplitude in beide Richtungen abgeben kann,
Fig. Ia5Ib eine schematische Darstellung der Spannungsquelle aus Fig. 1, wie sie in den nachfolgenden Figuren verwendet wird,
Figur 2 ein Schaltbild einer Magnetron-Plasmaanlage mit zwei Spannungsquellen, die parallel geschaltet sind, wobei der Abgriff Diodenkammer über eine Diodenstrecke erfolgt,
Fig. 2a bis 2f die Spannungsverläufe am Ausgang der beiden Spannungsquellen und den Spannungsverlauf an der Plasmakammer,
Fig.3 eine Magnetron-Plasmaanlage gemäß Fig. 2, bei der die zweite Brücke offen ist, und die entsprechenden Ausgänge der beiden Spannungsquelle auf Masse der Plasmakammer und auf der Anode liegen,
Figur 4 eine Magnetron-Plasmaanlage mit zwei parallel geschalteten Spannungsquellen die über eine zentrale Steuerung synchronisiert angesteuert werden,
Fig. 4a, 4b die zeitlichen Spannungsverläufe an der Plasmaanlage aus der Stromversorgung nach Fig. 4,
Fig. 5 eine Magnetron-Plasmaanlage mit einer Stromversorgung, die eine Gleichspannungsquelle und eine Spannungsquelle zur Erzeugung einer Sinusspannung aufweist,
Fig. 5 a den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Plasmaanlage,
Fig. 6 eine Dual-Magnetron-Plasmaanlage mit zwei Kathoden, die floatend geschaltet sind, Fig. 6a den zeitlichen Verlauf der Spannung der Stromversorgung aus Fig. 6, Fig. 7 eine Magnetron-Plasmaanlage bei welcher zusätzlich ein Substrathalter vorgesehen ist, der bezüglich der Plasmakammer unter einer Vorspannung steht, welche in Synchronisation mit Hochstromimpulsen der Magnetron-Plasmaanlage angesteuert wird,
Fig. 8 eine Dual-Magnetron-Sputteranlage mit Spannungsquellen, die über elektronische Schalter gesteuert werden,
Fig. 8a eine mit der Dual-Magnetron-Sputteranlage aus Fig. 8 erzeugbares Pulsmuster,
Fig. 9 eine Dual-Magnetron-Sputteranlage mit drei Spannungsquellen zur Erzeugung interferierender Pulsmuster unterschiedlicher Frequenz und Orientierung, Fig. 9a-9d interferierende Pulsmuster, die mit der Anlage nach Fig. 9 erzeugbar sind, und
Fig. 10 eine Oberflächenbehandlungsanlage für Substrate mit einer oder mehreren Anoden/Kathodenpaarungen, Ionenkonzentrationserfassung im Plasmaraum und zentraler Steuerung und Regelung.
Identische oder funktionsgleiche' Teile sind in den Figuren mit den identischen Bezugszeichen versehen. Das der Plasmakammer überlagerte Magnetfeld des Magnetrons ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die in den Figuren gezeigten Beispiele sind für jede Art von Oberflächenbehandlungsanlage geeignet, auch wenn nur die Anwendungen Magnetron-Plasma- Anlage oder Are-Verdampfer genannt sind.
Figur 1 zeigt ein Stromversorgungsgerät 10 für eine Plasmaanlage mit zwei Gleichstromnetzteilen DCl, DC2, deren Ausgänge durch Kondensatoren Cl, C2 zum einen stabilisiert sind. Diese Kapazitäten stellen jedoch aufgrund ihrer hohen Kapazität von z.B. 1000 bis 10.000 μF bei Spannungen zwischen 200 und 2000 V die notwendige Ladung zur Erzielung der geforderten Impulsströme zur Verfügung, die zum Erreichen eines gewünschten Ionisierungsgrades in einer Plasmakammer bisweilen erwünscht ist. An dem Gleichstromnetzteil DCl liegt die Spannung Vl an, während am Gleichspannungsnetzteil DC2 die Spannung V2 anliegt. Der positive Ausgang des ersten Gleichspannungsnetzteils DCl ist über eine Serienschaltung zweier Leistungstransistoren Tl, T4 mit dem negativen Ausgang des Gleichspannungsnetzteils DC2 verbunden. In gleicher Weise ist der negative Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils DCl über eine Serienschaltung von zwei Leistungstransistoren T2, T3 mit dem positiven Ausgang des zweiten Gleichstromnetzteils DC2 verbunden. Die einer Plasmaanlage zugeleiteten Ausgänge greifen in der Mitte zwischen den Serienschaltungen Tl T4, T2 T3 ab und sind durch Induktivitäten Ll, L2 hinsichtlich der Stromdynamik begrenzt, um sowohl die elektronischen Leistungsschalter als auch die Plasmaanlage selbst und die darin befindlichen Substrate SU zu schützen. In den Ausgang des Stromversorgungsgerätes ist noch ein Stromaufhehmer SA geschaltet, dessen Ausgangssignal einer nicht dargestellten Steuerung zur Ansteuerung der Leistungsschalter Tl bis T4 zugeführt wird, um somit eine Regelung, d.h. eine Feedback-geregelte Steuerung zu realisieren.
Die Anordnung zweier Brücken Sl, S2 zwischen den positiven Ausgängen als auch den negativen Ausgängen der beiden Gleichspannungsnetzteile DCl, DC2 ermöglicht den Betrieb des Stromversorgungsgerätes nach herkömmlicher Art mit allerdings identisch großen Amplituden für die negativen und positiven Stromimpulse. Es lassen sich beispielsweise folgende Betriebsarten einstellen:
Gleichspannung DC + wenn Tl und T2 geschlossen sind, während T3 und T4 geöffnet sind. Gleichspannung DC -, wenn T3 und T4 geschlossen sind, während Tl und T2 geöffnet sind. Unipolar plus gepulst UP +, wenn Tl und T2 gepulst sind, während T3 und T4 geöffnet sind. Unipolar negativ gepulst UP -, wenn T3 und T4 gepulst sind, während Tl und T2 geöffnet sind. Bipolar gepulst BP, wenn Tl und T2 alternativ mit T3 und T4 getaktet werden. Selbstverständlich lassen sich auch die Schalter S1,S2 in den Brücken von der Steuerung der Spannungsquelle ansteuern, wodurch man die Betriebsmodi zur Erzielung eines gewünschten Plasmas elektronisch gesteuert schalten kann. Durch Betätigung der Schalter S1,S2 in den Brücken lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi mit symmetrischen oder asymmetrischen Spannungsimpulshöhen ermöglichen.
Eine derartige Spannungsquelle eignet sich sehr gut als wenigstens eine regelbare von zwei Spannungsquellen zur Erzeugung von Gleichspannung oder hohen Impulsspannungen.
Beim Betrieb der Spannungsquelle 10 mit geöffneten Schaltern S1,S2 wird das in Fig. Ia dargestellte Schaltbild verwendet, wobei die Gleichspannungsquellen DCl und DC2 die beiden Gleichspannungsquellen DCl5 DC2 aus Fig. 1 beschreiben. Beim Betrieb mit geschlossenen Schaltern, z.B. zur Erzeugung von Hochstromimpulsen, für die beide Gleichspannungsquellen DC1,DC2 benötigt werden, wird das in Fig. Ib dargestellte Schaltbild verwendet, wobei klargestellt ist, dass sich in einem Magnetron-Sputterverfahren die Spannungsquelle 10 aufgrund der elektronischen Ansteuerung der Schalter S1,S2 auch in beiden Betriebsmodi fahren lässt, d.h. ein Umschalten während des Sputter- Vorgangs erfolgen kann. Die Schalter Sl , S2 können auch als einfache Brücken ausgeführt sein um einen symmetrischen und asymmetrischen Betriebsmodus zu ermöglichen. In Fig. Ib bezeichnet DCl somit die Parallelschaltung von DCl und DC2 oder stellt nur eine DC Spannungsversorgung dar.
In Fig Ia. symbolisiert den Anschluss von zwei DC — Spannungsquellen ( DC1;DC2) wo bei Sl und S2 in Fig. 1 geöffnet sind. Hinsichtlich Fig. Ib. ist Sl und Sl in Fig. 1 geschlossen und nur eine DC Spannungsquelle DCl angeschlossen ist. Gegebenenfalls kann- zur Leistungserhöhung DC2 parallel geschaltet werden.
Figur 2 zeigt eine Parallelschaltung dieser Spannungsquelle 10 mit einer Gleichspannungsquelle 12, deren Ausgänge über zwei Brücken 14, 16 parallel geschaltet sind. In der ersten Brücke 14 sind zwei gegeneinander geschaltete Dioden Dl, D2 angeordnet, in deren Mitte der Abgriff 18 für die Kathode 20 der Plasmakammer 22 ist. Eine die Kathode 20 umgebende Anode 24 ist zudem über einen Schalter SmI mit dem Gehäuse 26 der Plasmakammer 22 verbindbar, die auf dem gleichen Potenzial wie die Masse der beiden Spannungsquellen 10, 12 liegt. Mit der gezeigten Anordnung lassen sich beliebige Impulsmuster erzeugen, bei denen eine Gleichspannung Udcl von der Spannungsquelle 10 einer Pulsspannung Udc2 von der Spannungsquelle 10 überlagert ist. Durch die Betätigung des Schalters SmI, vorzugsweise in Synchronisation mit der Ansteuerung der Spannungsquellen 10, 12, lässt sich eine starke Veränderung der Plasmabildung in der Kammer 22 erzielen.
Die Figur 2a zeigt die von der Spannungsquelle 12 erzeugte Gleichspannung, während Fig. 2b das von der Spannungsquelle 10 erzeugte Impulsmuster zeigt. Durch die Dioden Dl, D2 wird ein Impulsmuster (Figur 2c) an den Stromversorgungs-Eingängen 21, 23 der Plasmakammer 22 erreicht, welches einer Überlagerung der beiden Spannungsmuster aus Fig.2a und Fig. 2b erzielt. Dies beruht darauf, dass die Dioden die höhere Spannung von den beiden Spannungsquellen durchlassen, wohingegen das geringere Spannungssignal gesperrt wird.
Beispiele aus einer Vielzahl von langsamen Funktions - Verläufen f(t)* sind in den Figuren 2d. bis 2f gezeigt, die sich mit der Anlage nach Fig. 2 realisieren lassen. Fig. 3 zeigt eine zu Fig. 2 weitgehend identische Anlage 30. Der Unterschied zu Fig. 2 besteht darin, dass die zweiten Ausgänge der Spannungsquelle nicht wie in Fig. mit der zweiten Brücke 16 verbunden sind, sondern der zweite Ausgang 33 der Spannungsquelle 12 ist mit der Anode 24 verbunden, während der Ausgang 31 der ersten Spannungsquelle 10 mit dem Gehäuse 26 der Plasmakammer verbunden ist. Die beiden Spannungsquellen 10, 12 sind über eine Synchro- nisierungseinrichtung 34 synchronisiert schaltbar, wobei die Synchronisierungseinrichtung 34 nicht die Spannungsquelle 12 zur Erzeugung eines frei wählbaren Impulsmusters direkt schaltet, sondern einen in deren Ausgang befindlichen Schalter 35.
Die Parallelschaltung der zweiten Anschlüsse der beiden Spannungsquellen 10, 12 erfolgt über das in der Plasmakammer 22 gebildete Plasma. Auch dies fuhrt zu vorteilhaften Effekten in der Plasmabildung und damit zur individuellen Anpassungsfähigkeit der Abscheidung unterschiedlicher Stoffe auf Substraten unterschiedlicher Geometrie und Materialbeschaffenheit.
Ein ähnliches Impulsmuster wie in Fig.2 dargestellt, lässt sich in der Anordnung 40 gemäß Figur 4 durch zwei Gleichspannungsquellen 10 erzeugen, die über eine zentrale Steuerung 34 synchronisiert werden. Diese Anordnung hat im Unterschied zu der Schaltung aus Figur 2, bei der zumindest die Spannung Udc über die gesamte Sputter-Zeit dauerhaft anliegt, weiterhin den Vorteil, dass sich in dem zeitlichen Spannungsverlauf neben den Spannungen der beiden Spannungsquellen 10 auch zwischenzeitlich eine Spannung von OV darstellen lässt. Dies wird erreicht, wenn beide Spannungsquellen 10 durch die zentrale Steuerung 34 über eine gewünschte Periode, wie in Fig. 4a und Fig. 4b gezeigt , ausgeschaltet werden.
Figur 5 zeigt eine Magnetronanordnung umfassend eine erste Gleichspannungsquelle 10 und eine zweite Spannungsquelle 38, die eine Sinusspannung über eine volle Periode erzeugt, d.h. eine volle Sinuswelle. Die zweite Spanungsquelle besteht aus einer Spannungsquelle 10 gemäß Fig. 1, die von der Steuerung lediglich zur Erzeugung eines Doppelrechteckimpulses mit unterschiedlichen Vorzeichen, wie eine rechteckigen "Sinuskurve" angesteuert wird. Die Rechteckvollwelle wird über einen Transformator 42 auf in eine aufgrund der Transformatorcharakteristik in eine Sinusspannung transferiert, wobei sie auch auf eine höhere Spannung transformiert und in einem nachgeschalteteten Gleichrichter 44 gleichgerichtet wird. Der Ausgang des Gleichrichters 44 bildet den Ausgang der zweiten Spannungsquelle 38 und ist mit dem Ausgang der ersten Spannungsquelle 10 über zwei Brücken 14, 16 parallel geschaltet, wobei in der ersten Brücke 14 wiederum eine Diodenstrecke mit gegensätzlich angeordneten Dioden Dl, D2 ange- ordnet ist, zwischen denen der Abgriff 18 zum Anschluss 21 der Kathode 20 der Plasmakammer 22 angeordnet ist. Der zweite Anschluß 23 der Plasmakammer 22 ist direkt mit der Anode ' 24 verbunden, welche wiederum über den Schalter SmI mit Masse 26 verbindbar ist. Der Schalter SmI kann von der zentralen Steuerung 34 in Synchronisation mit den Spannungsquellen betrieben werden. Die Stromversorgung der dargestellten Magnetron-Plasmaanlage speist die Anschlüsse 21, 23 der Plasmakammer 22 mit dem in Figur 4a dargestellten Impulsverlaufs, wobei die Spannung über die Zeit aufgetragen ist.
Figur 6 zeigt eine Dual-Magnetron Anlage mit zwei Spannungsquellen 10 gemäß Figur 1, die über eine gemeinsame Steuerung 34 synchronisiert angesteuert sind. Die Ausgänge der Spannungsquellen 10 sind über zwei Brücken 14, 16 parallel geschaltet. Die erste Brücke 14 ist über den ersten Anschluss 21 der Plasmakammer 22 mit einer ersten Kathode 50 verbunden, während die zweite Brücke 16 über den zweiten Anschluss 23 mit einer zweiten Kathode 52 verbunden ist, die in einem Abstand von der ersten Kathode angeordnet ist und eine Anode 56 aufweist. Die die erste Kathode 50 umgebende Anode 54 ist über ein Schalter SmI auf Masse 26 schaltbar, während die zweite die zweite Kathode 52 umgebende Anode 56 über den Schalter Sm2 ebenfalls mit Masse verbindbar ist. Diese Schalter SmI und Sm2 sind ebenfalls von der zentralen Steuerung 34 in Synchronisation mit der Ansteuerung der beiden Spannungsquellen 10 ansteuerbar. Es lässt sich mit dieser Anordnung gemäß 5 der Spannungsverlauf gemäß 6a realisieren, bei der wiederum der Spannungsverlauf U über die Zeit t wiedergegeben ist. Während bei geöffneten Schaltern sich das Plasmafeld über die beiden Anoden ausbildet, wirken bei geschlossenen Schaltern die Abschirmungen und das Gehäuse 26 der Plasmakammer 22 auf die Ausbildung des Plasmas ein. Zwischen die Anschlüsse Al und A2 kann wahlweise noch ein Transformator 53 geschaltet werden, um sinusförmige Spannungsimpulse zu erhalten.
Schließlich zeigt Figur 7 eine spezielle Anlage die für hohe Stromimpulse insbesondere für das HPPMS- und HIPIMS -Verfahren ausgelegt ist. Diese Verfahren arbeiten mit äußerst starken Stromimpulsen, wodurch im Verlauf des Pulses eine hohe Ionisierung des abgesputterten Targetmaterials erzielt wird.
Die Magnetron-Plasmaanlage 70 gemäß Fig. 7 ist in der Lage, eine Anodenanordnung des Magnetrons gemäß einer der vorhergehenden Beispiele zu verwenden. In den Figuren 7a, 7b und 7c sind beispielsweise drei Anordnungen gezeigt, die an der Stelle 60 in die Plasmakammer 22 der Magentronanlage 70 einsetzbar sind. Gemäß Figur 7a und 7c handelt es sich dabei um Dual-Magnetrons mit zwei Kathoden 50, 52 gemäß den Figuren 6 und 8 oder um eine einzige Kathode 20 (Fig. 7b), deren Anode 24 über die Parallelschaltung eines Schalters Sm und einer Diode D3 mit der Gehäusemasse 26 verbunden ist. Über diese Anordnung lässt sich das Plasmafeld in der Plasmakammer 22 stark beeinflussen. Weiterhin ist in der Plasmakammer eine elektrisch leitende Substrathalterung 64 isoliert angeordnet, an deren oberem Ende ein ebenfalls elektrisch leitender Substratteller 66 vorgesehen ist, auf welchem ein Substrat 68 angeordnet werden kann. Der Substratteller 66 ist gegenüber der Plasmakammer 22 mittels einer BIAS- Spannungsversorgung 72, die identisch zur Spannungsquelle 10 aus Fig. 1 ausgebildet sein kann, auf einer Vorspannung gehalten. Die Vorspannung wird über die zentrale Steuerung 34 angesteuert, die ebenfalls über die Spannungsquellen 10 die Anschlüsse 21, 23 der Kathoden 50, 52 oder 20 des Magnetrons gemäß Fig. 7a, 7b oder 7c ansteuert. Die Anlage arbeitet wie folgt. In dem Magnetron werden kurzzeitige hohe Impulse bis mehreren MW erzeugt. Zeitlich getriggert mit der zweiten Hälfte der Impulse wird die BIAS-Stromversorgung 72 eingeschaltet, was folgenden Effekt hat. Am Ende der Hochstromimpulse des Magnetrons 60 wird das gesput- terte Targetmaterial stark ionisiert. Exakt zu diesem Zeitpunkt, d.h. zum Zeitpunkt der beginnenden oder begonnenen Ionisierung der gesputterten Teilchen wird die BIAS-Vorspannung über die Stromversorung 72 zugeschaltet. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die Ionen des gesputterten Targetmaterials sich auf dem Substrat 68 niederschlagen. Andrerseits wird über die synchronisierte Zuschaltung der Vorspannung erreicht, dass die Vorspannung nur dann eingeschaltet ist, wenn das gesputterte Targetmaterial ionisiert ist. Denn eine dauernde Vorspannung ist unerwünscht, weil dies einen negativen Effekt auf die Ausbildung des Plasmas in der Plasmakammer 22 hat.
Wie oben gezeigt ist, müssen die Spannungsquellen nicht über Brücken miteinander parallel geschaltet sein, sondern die Parallelschaltung lässt sich auch über Elemente der Plasmakammer wie Anode und/oder Gehäuse der Plasmakammer realisieren. Der Parallelschaltung kann insbesondere auch durch das Plasma in der Plasmakammer erfolgen.
Fig. 8 zeigt eine Dual-Magnetron Anlage 80 mit drei Spannungsquellen 10, 12,13. Die erste Spannungsquelle 10 kann eine DC/Puls-Spannungsquelle gemäß Fig. 1 sein. Die zweite und dritte Spannungsquellen sind DC-Spannungsquellen 12, 13, die geregelt oder ungeregelt sein können, und denen jeweils ein elektronischer Schalter 82, 84 nachgeordnet ist. Die beiden e- lektronischen Schalter 82, 84 und die erste Spannungsquelle 10 sind über eine Steuerung 34 synchronisiert ansteuerbar. Die beiden Ausgänge der ersten Spannungsquelle 10 sind mittels Brücken 14, 16 über jeweils eine Diode Dl, D2 mit jeweils einem Ausgang der elektronischen Schalter 82, 84 verbunden, wobei jede der Brücken 14, 16 mit dem Kathodenanschluss 86, 88 jeweils einer Kathode 50, 52 der Dual-Magnetron Anlage verbunden ist. Der ersten Spannungs- quelle 10 kann ein Transformator 53 ήachgeschaltet sein, um sinusförmige Spannungspitzen zu erhalten. Die Diode Dl, D2 ist dabei jeweils zwischen der Verbindung von Kathodenanschluss 86,88 und Brücken 14, 16 einerseits und dem zugehörigen elektronischen Schalter 82, 84 andererseits angeordnet. Die anderen Ausgänge der elektronischen Schalter 82,84 sind über Leitungen 90, 92 mit den zugehörigen Anoden 54, 56 verbunden.
Wie Fig. 8 a zeigt, lassen sich durch diese Anordnung zeitlich frei regelbare Pulsmuster in beiden Richtungen erzeugen, wobei die Amplituden in beiden Stromrichtungen unterschiedlich sein können.
Obwohl der Einsatz der Erfindung oben für eine Magnetron-Sputteranlage beschrieben wurde, ist er für eine Vielzahl anderer Plasmaverfahren wie z.B. PACVD, Plasma-Nitrieren , PVD- ARC ( Bogenverdampfer ) ; Plasma- Ätzen , Pulsplating , atmosphärisches Plasma geeignet ' und vorteilhaft.
Figur 9 zeigt eine Anordnung mit drei Spannungsquellen 10, die über eine nicht dargestellte externe Steuerung und eine Synchronisationseinrichtung 34 synchronisiert ansteuerbar sind. Jede der Spannungsquellen 10 wird mit jeweils zwei Gleichstromquellen DCl bis DC6 gespeist. Die Ausgänge der drei Spannungsquellen 10 sind dabei derart verschaltet, das jeweils zwei (in der Figur die obere und untere) Spannungsquellen die Anoden und Kathodenanschlüsse Aal, AkI und Ak2 und Aa2 zweier Magnetron-Plasma- oder Are- Verdampfer- Anlagen (als Beispiele für Anoden/Kathodenpaarungen) bilden. Zwischen diesen Anschlüssen Aal, AkI als auch Aa2, Ak2 als auch AkI, Ak2 können noch jeweils ein Transformator 53 angeordnet sein, um die Spannung an den Anlagen zu erhöhen. Wesentlich ist bei der Verschaltung, dass eine der Anlagen, und zwar die, die nicht direkt eine Anoden/Kathodenpaarung direkt ansteuert, (in der Figur die mittlere) mit den beiden Kathodenanschlüssen AkI, Ak2 der beiden Magnetron- Plasma- oder Are- Verdampfer- Anlagen verbunden ist. Jeweils ein Anschluss der beiden anderen Stromversorgungen ist mit einem der beiden Anschlüsse der mittleren Stromquelle verbunden. Den Impulsmustern aufgrund der direkten Ansteuerung der Anoden/Kathodenpaarungen ist somit eine Impulsmuster überlagerbar, das durch die mittlere Spannungsquelle 10 generiert wird, welche mit den Kathoden AkI, Ak2 der beiden Anlagen verbunden ist. Die Figuren 9a bis 9d zeigen Pulsmuster, welche mit der in Figur 9 gezeigten Anordnung möglich sind, wobei deutlich wird, dass hochfrequente Pulse, die durch die direkte Ansteuerung der Anlagen durch die obere und untere Spannungsquelle 10 resultieren (entsprechend den Gleichspannungen Udcl und Udc5 als auch Udc2 und Udc6 aus den entsprechenden Gleichspannungsquellen DCl, DC5, DC2 und DC6) mit Impulsen Udc3 und Udc4 höherer Spannung aber deutlich niedrigerer Frequenz überlagert werden können, wie sie in Fig. 9 durch die Gleichspannungsquellen DC3 und DC4 der mittleren Spannungsversorgung 10 erzeugt werden. Die Überlagung der Hochspannungs- bzw. Hochleistungsimpulse (HPPMS) erfolgt hierbei über die in Figur 9 mittlere Spannungsquelle 10, deren Spannungen der Gleichstromnetzteile DC3 und DC4 auf die beiden Kathoden AkI, Ak2 der Magnetron- oder Arc-Verdampferanlagen gelegt sind. Die Hochleistungsimpulse können dabei bipolar oder unipolar abgegeben werden. Beliebige Kombinationen der Hochfrequenz- und Hochleistungsimpulse unipolar und bipolar sind möglich
Figur 10 zeigt eine Anlage 100, als Möglichkeit, was mit einer erfϊndungsgemäßen Oberflä- chenbehandlungsanlage möglich ist. Mit den Bezugszeichen 102 ist eine Bank mit mehreren Spannungsquellen 10 bezeichnet, wie sie in den vorherigen Figuren bereits aufgeführt wurden. Jede .Spannungsquelle 10 verfügt über eine Schaltanordnung, wie sie in Figur 1 gezeigt ist und über ein oder zwei Spannungsquellen gemäß Figur Ia oder Ib. In der Figur sind vier Spannungsquellen 10 abgebildet. Deren Ausgänge führen auf eine Bank 104 von Oberflächenbehandlungsanlagen, die z.B. eine oder mehrere Magnetron-Plasma oder Are- Verdampfer- Anlagen aufweisen kann, wie es z. B. in den Figuren 7a bis 7c gezeigt ist.
Gesteuert wird die gesamte Anlage 100 von einer zentralen Steuerung 106, welche alle steuerbaren Komponenten der Anlage 100 zum Teil über eine Synchronisiereinrichtung 34 ansteuert. Zu den angesteuerten Vorrichtungen gehören neben der Bank 102 von Spannungsquellen 10 ferner eine Messvorrichtung für die Ionenkonzentration 108, die eine Vielzahl von Sensoren 110 zur Erfassung der Ionenkonzentration aufweist. Eine derartige Vorrichtung 108 kann z. B. als Emissionspektroskopie- Anlage ausgebildet sein. Des Weiteren ist die Steuerung 106 mit einer Vorrichtung 112 zur Videoerfassung der Ionenkonzentration verbunden, z. B. einer Videospektroskopie-Anlage, die ebenfalls über die Synchronisierung 34 synchronisiert mit der Bank 102 ansteuerbar ist. Des Weiteren ist die Steuerung 106 mit einer RF-Quelle 114 verbunden, welche z. B. mit Frequenzen in Megahertz-Bereich betrieben wird. Diese RF-Quelle 114, welche über die Steuerung 106 angesteuert wird, ist sowohl mit Masse der Plasmakammer 22 als auch mit der elektrisch leitfähigen Substrathaltung 64 verbunden, auf deren Oberseite der ebenfalls leitfähige Substratteller 66 angeordnet ist, auf welchem das Substrat 68 aufliegt. Zusätzlich ist die Steuerung 106 mit einer zusätzlichen Spannungsquelle 116 verbunden, die beispielsweise entsprechend der Spannungsquelle in Figur 1 ausgebildet sein kann. Diese Spannungsquelle 116 ist über durch die Steuerung 106 steuerbare Schalter oder Brückenanordnung S3 und S4 mit der Substrathaltung 64 als auch mit einer Flächenelektrode 118 verbunden, welche auf der der Bank 104 mit den Oberflächenbehandlungsanlagen abgewandten Seite des Substrats 68 angeordnet ist. Durch diese Flächenelektrode 118 können durch die Bank 104 abgegebenen Ionen in Richtung auf die Elektrode 118 gezogen oder von dieser abgestoßen werden. Durch die weitere Stromquelle 116 und die koordinierte Betätigung der Schalter S3 und S4 ist somit eine klare Lenkung der Ionenströme in der Plasmakammer 22 möglich, welche Ionenkonzentration zum einen über die Messvorrichtung für die Ionenkonzentration 108 als auch über die Videospektroskopieanlage 112 ist technisch und visuell erfasst werden kann. Auf diese Weise ist eine sehr gezielte Plasma - Partikel - Extraktion möglich , die die eine gezielte Schichtbildung auf der Substratoberfläche ermöglichen.
Die Anlage 110 enthält weiterhin eine Lambda-Sonde 120 zur Sauerstoffregelung in der Plasmakammer 22

Claims

Ansprüche:
1. Sputteranlage, umfassend wenigstens eine erste Spannungsquelle und wenigstens eine zweite Spannungsquelle deren zwei Ausgänge miteinander parallel geschaltet sind, wobei in einer Verbindung (14) der ersten Ausgänge der beiden Spannungsquellen (10, 12, 38) zwei gegeneinander geschaltete Dioden (Dl, D2) angeordnet sind, zwischen denen ein Abgriff (18) angeordnet ist, der mit einem ersten Anschluss (21) für die Stromzufuhr in eine Plasmakammer (22) verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss (23) für die Stromzufuhr in die Plasmakammer (22) mit der Verbindung (16) der anderen Ausgänge der Spannungsquellen (10, 12, 38) verbunden ist, oder die beiden Spannungsquellen (10) oder diesen nachgeordnete elektronische Schalter (82, 84) durch eine gemeinsame Steuerung (34) synchronisiert angesteuert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungsquelle (10, 12) eine regelbare DC-Spannungsquelle ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungsquelle (10) eine regelbare DC- oder Pulsspannungsquelle ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Plus- und Minuspole der beiden Spannungsquellen (10, 12, 38) zusammengeschaltet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Spannungsquellen (10) zwei Gleichspannungsquellen (DCl, DC2) um- fasst, die über eine Brückenschaltung von elektronischen Leistungsschaltern (Tl bis T4) miteinander gekoppelt sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsquelle (38) durch eine jeweils eine komplette Sinuswelle erzeugende Spannungsquelle gebildet ist, welche Spannungsquelle eine regelbare DC- oder Pulsspannungsquelle (10) um- fasst, der ein Transformator (42, 53) und gegebenenfalls ein Gleichrichter (44) nachgeordnet ist.
7. Sputteranlage, umfassend wenigstens eine Spannungsquelle (10, 12, 38) für die Stromzufuhr in eine Plasmakammer, in der eine die Kathode (20, 50, 52) umgebende Anode (24, 54, 56) vorgesehen ist, welche Anode durch wenigstens einen Schalter (SmI, Sm2) und/oder eine Diode (D3) mit einem auf einem definierten Potential liegenden Anschluss, insbesondere mit der Gehäusemasse (26) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Parallelschaltung eines Schalters (Sm) mit einer Diode (D3).
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Spannungsquellen (10, 12, 38), deren Ausgänge über jeweils eine Brücke (14, 16) parallel geschaltet sind, wobei jede der Brücken mit einer Kathode (50, 52) verbunden ist und die zugehörigen Anoden (54, 56) über Schalter (SmI, Sm2) und/oder Dioden auf eine festes Potential, insbesondere Masse (26) legbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Eingangsanschlüssen jeder Spannungsquelle (10) für die Gleichstromquellen (DCl - DC6) Kapazitäten (Cl, C2) hoher Leistung parallel geschaltet sind.
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