WO2009040406A2 - Verfahren und anordnung zum redundanten anoden-sputtern mit einer dual-anoden-anordnung - Google Patents

Verfahren und anordnung zum redundanten anoden-sputtern mit einer dual-anoden-anordnung Download PDF

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WO2009040406A2
WO2009040406A2 PCT/EP2008/062881 EP2008062881W WO2009040406A2 WO 2009040406 A2 WO2009040406 A2 WO 2009040406A2 EP 2008062881 W EP2008062881 W EP 2008062881W WO 2009040406 A2 WO2009040406 A2 WO 2009040406A2
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power supply
cathode
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Goetz Teschner
Enno Mirring
Johannes Struempfel
Andreas Heisig
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Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh
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    • H01J37/3444—Associated circuits

Definitions

  • the invention relates to a method for redundant anode sputtering with a dual-anode arrangement in which two anodes are alternately operated alternately as an anode of the plasma discharge and as a cathode for self-cleaning during an etching time and the cathode of Plas ⁇ maentladung recurring to reduce static Charge is briefly reversed polarity.
  • the invention also relates to an arrangement for redundant anode sputtering with a dual-anode arrangement, comprising a vacuum chamber with a chamber wall and arranged therein a cathode and a first and a second anode, by means of an H-bridge circuit having a first bridge branch and comprises a second bridge branch, whereby both bridge branches together on the one side a plus
  • a gas discharge between a cathode and an anode is ignited at a pressure of a few ⁇ bar.
  • the material of the target, which forms the exposed to the Gasentla ⁇ dung surface of the cathode is eroded by an intense ion bombardment.
  • the sputtering process creates a cloud of material vapor which is deposited on all parts in the vacuum chamber.
  • the aim of the construction of sputtering systems is to collect as much of this sputtered material on the substrate and to get as little as possible on the anodes. Since frequently, intentionally or unintentionally, form poorly conducting or insulating materials in the Ab ⁇ divorce, the current flow over the coated anodes ⁇ surface with time is considerably impaired, so that the stability of the gas discharge until complete extinguishment is disturbed.
  • PCT application WO2007 / 051461 has described the control of the etching effect.
  • This document contains two versions, with a medium-frequency generator or with a DC power supply (DC power supply), which distributes the power in pulses to the cathode and the two anodes.
  • DC power supply DC power supply
  • one of the solutions with a DC power supply a classic H-bridge circuit of four switches, in particular consisting of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) before, on the one hand, a polarity reversal of the anodes (electrodes) and on the other a short-term polarity reversal of the cathode Extracting electrons from the rest of the plasma and cause the discharge.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors
  • DC power supplies can be operated with the principle of redundant anode sputtering with two anodes (dual anodes).
  • this requires the use of switches which effect the controlled switching of the currents at the anodes but are protected against the load by the DC power supplies.
  • US Pat. No. 5,427,669 discloses a pulsed DC power supply (pulse power supply) which temporarily reverses the polarity of the cathode so that any charges on the cathode are discharged.
  • the short-term polarity reversal of the cathode generates High dv / dt values (voltage gradient) in the circuit create a dangerous load for the semiconductor switches commonly used in jumpers.
  • short-term means that the duration of the switching pulse is less than the time until a next switching pulse, ie the time in which the cathode voltage is negative.
  • this circuit is also intended for redundant anon sputtering, it is not intended for use with dual anodes.
  • the procedural solution of the problem provides that the cathode and the anodes are fed from a pulse power supply, the polarity reversal of the cathode voltage is effected from the pulse power supply, at any time at least one anode at positive potential and temporarily during an etching time, the other anode to negative potential ⁇ tial lies.
  • this allows the discharge of the cathode by the power supply and also an anode sputtering with dual anodes.
  • the voltage at the cathode is reversed by means of the pulse power supply with a voltage pulse whose pulse duration is less than half the time to the next pulse, preferably of an order of magnitude smaller.
  • the coating rate applied to them differs.
  • the anodes require different etching rates.
  • Criterion for the necessary etching time is the Beschich ⁇ tion of the anodes, which is visible by interference colors on the electrodes, so that in one embodiment of the invention, the etching times of the anodes are stopped when interference colors occur on the anodes.
  • the frequency of the change between the etching time and the application of an anode voltage to the anodes is in the order of magnitude of 1 Hz to 10 kHz.
  • the frequency for the change between etching and anode action is dictated by the properties of the coating formed at the anode. If it is a case of poorly conducting layers, eg ZnO, then an alternating frequency of a few Hertz is sufficient. If it is a case of highly insulating layers, then work with an alternating frequency in the range of a few 10 kHz. The frequency must be so high that the layer formed on the anode does not yet lead to complete isolation and thus prevents etching. On the other hand entste ⁇ hen with increasing frequency change unnecessary switching losses in the H-bridge circuit. The frequency of 40 kHz is for SiO2 a good compromise.
  • the arrangement-side solution of the problem provides that the DC power supply is designed as a pulse power supply and the H-bridge circuit is connected to a clock generator and is so in operative connection with the pulse power supply, that at any time at least one anode is at a positive potential ,
  • a center of the first bridge branch with the first anode and a center of the second Brü ⁇ ckenzweiges is connected to the second anode, that the plus terminal of the H-bridge circuit having a positive output of the pulse power supply and the minus terminal of the H-bridge circuit is connected to the minus output of the pulse power supply to provide a voltage effecting a cleaning etching action of the anodes during the etching time.
  • a further embodiment provides that the center of the first bridge branch is connected to the first anode via a first inductance and the center of the second bridge branch is connected to the second anode via a second inductance.
  • the two inductors serve to dampen any repercussions from the anode plasma into the switches.
  • the arrangement according to the invention can also be formed in that from the first anode to the chamber wall, a first series connection of a diode (Vhzhl) and a resistor (Rzhl) and from the second anode to the chamber wall, a second series circuit of a diode (Vhzh2) and a a resistor (Rzh2) is connected.
  • the diode resistance combinations Vzhl-Rzhl or Vzh2-Rzh2 serve on the one hand as a starting aid, because a gas discharge in an arrangement with not visible from the cathode anodes ignites bad, and on the other hand together with the inductances L2 and L3 as damping against positive feedback from the plasma.
  • the positive output of the pulse power supply is capacitively connected via a capacitor to the vacuum chamber, in particular the chamber wall. This prevents damaging transients (voltage spikes) from occurring in the positive branch.
  • Another embodiment provides that between the positive terminal and the minus terminal, a capacitor is connected, wherein the negative terminal is connected via a rectifier chain and an inductance to the negative output of the pulse power supply and between rectifier chain and positive terminal a Series circuit of a capaci ⁇ gate and a resistor is connected, wherein by the inductance, the capacitor (C2) and the resistor, a very rapid voltage changes damping combination is formed.
  • the capacitor of the charging is charged to the peak voltage applied to the outputs of the pulse power supply, via a rectifier chain Vll ... Vln.
  • the combina ⁇ tion Ll - R2 - C2 is the damping of very fast voltage changes, so that the rectifier chain VIl ... VIn is protected from very rapid voltage changes.
  • FIG. 2 shows a voltage-time profile of the arrangement according to FIG. 1
  • Fig. 3 is a schematic representation of an inventive arrangement
  • an H-bridge circuit (Vl ... V4) with semiconductor switches is used, as they are used today in many converters and power supplies.
  • each bridge branch denoted by Al or A2 in FIG. 3, is connected to the first anode 1 and second anode 2 via the inductors L2 and L3.
  • the two inductors L2 and L3 serve to dampen any repercussions from the anode plasma into the switches (Vl ... V4).
  • the diode-resistor combinations Vzhl-Rzhl or Vzh2-Rzh2 serve on the one hand as a starting aid, because a gas discharge in an arrangement with not visible from the cathode 3 of anodes 1; 2 bad ignites, and on the other hand, together with the inductors L2 and L3 as a damping against positive feedback from the plasma.
  • the positive terminal 4 of the H-bridge circuit (Vl ... V4) is connected directly to the positive output 5 of the pulse power supply 6.
  • Vl ... V4 The positive terminal 4 of the H-bridge circuit (Vl ... V4) was connected directly to the positive output 5 of the pulse power supply 6.
  • the negative terminal 9 of the H-bridge circuit (Vl ... V4) must be supplied with the voltage which is a cleaning of the anodes 1; 2 effected during the etching time. Since it is intended to work without synchronization between the activation of the H-bridge circuit (Vl... V4) and the pulse power supply 6, a storage capacitor C3 was introduced, which is connected to the positive terminal 4 and the negative terminal 9 of the H-bridge circuit (Vl ... V4) was connected. This capacitor C3 is charged via a rectifier chain Vl r ..Vl n to the peak voltage applied to the output terminals of the pulse power supply.
  • the combination Ll - R2 - C2 serves to dampen very fast voltage changes, so that the rectifier chain VIl ... VIn is protected against very fast voltage changes.
  • the control 13 of the H-bridge circuit (Vl ... V4) has a special feature. . It must, as shown by the timing diagram in Figure 4 will always guarantee that the connection we ⁇ tendonss an anode 1; 2 with the plus output 5 of the pulse ⁇ power supply 6 is ensured.
  • the timing diagram shows that just prior to time 1, the second anode 2 ("anode 2") carries the main current of the discharge while the first anode 1 ("anode 1") is at negative potential and thus cleaned. Thus, up to time 1, the switches V2 and V3 are conductive and Vl and V4 are blocked.
  • the switch V2 is disabled, so that the negative potential at the first anode 1 ("anode 1") is reduced, because of the now missing electrical connection takes the first anode 1 ("anode 1") briefly a potential which is close to the plasma potential.
  • the switch Vl is conductive. Now both the switch Vl and the switch V3 are conductive, so that both anodes 1; 2 are involved in the power supply of the discharge. This is recognizable by the decrease of the anode voltage.
  • Anode 2 (“anode 2”) is used. At time 3, the etching of the second anode 2 (“anode 2”) is terminated again by closing switch ⁇ ter V4 and after the switching delay V3 conductive, so again both anodes 1; 2 guide the discharge flow.
  • the first anode 1 (“anode 1") is again set to negative potential so that it is etched until time 5.
  • the procedure at time 5 corresponds to that of time 1.
  • the coating rate applied to them differs.
  • the anodes 1; 2 different etching rates.
  • the control 13 of the H-bridge circuit is performed so that different etching times time points 2-3 and time ⁇ points 4-5 are set. Because of the switching processes, the maximum etching time is slightly less than the maximum Ano ⁇ denzeit. When the etching time is shortened, the time in which both anodes are connected in parallel as the anode of discharge increases.
  • the criterion for the necessary etching time is the coating of the anodes 1; 2, caused by interference colors on the anodes 1; 2 becomes visible.
  • complete blank etching is avoided, because there is a risk of ablation of anode material.
  • the etch time is adjusted to produce a slight coating that allows stable operation between two maintenance cycles.
  • the frequency for the change between etching and anode action is determined by the properties of the anode at the anode 1; 2 resulting coating dictated. If it is poorly conductive layers, eg ZnO, then reaches a Senfre acid sequence from a few hertz. If it is a case of highly insulating layers, then work with an alternating frequency in the range of a few 10 kHz. The frequency must be so high that the on the anode 1; 2 resulting layer does not lead to a complete isolation and thus prevents the etching. On the other hand, with increasing AC frequency unnecessary switching losses occur in the H-bridge. The frequency of 40 kHz is a good compromise for SiO2.
  • the vacuum chamber 7 is evacuated via a vacuum pump 14. By means of a gas inlet 15, it can be re-ventilated who ⁇ .
  • the substrate 16 to be coated is arranged in the vacuum chamber 7.

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Abstract

Der Erfindung, die ein Verfahren, bei dem zwei Anoden entgegengesetzt zueinander abwechselnd als Anode der Plasmaentladung und als Kathode zur Selbstreinigung betrieben werden und die Kathode der Plasmaentladung wiederkehrend kurzzeitig umgepolt wird, und eine Anordnung umfassend eine Kathode (3) und eine erste (1) und eine zweite Anode (2), die mittels einer H-Brückenschaltung mit Spannung versorgt werden, betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkung des redundanten Anodensputterns mit Dual-Anoden zu verbessern und die Bauelementesicherheit zu erhöhen. Dies wird dadurch gelöst, dass die DC-Stromversorgung als eine Pulsstromversorgung (6) ausgebildet ist, dass die Umpolung der Kathodenspannung aus der Pulsstromversorgung bewirkt wird, zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Anode auf positivem Potential und zeitweise während einer Ätzzeit die andere Anode auf negativem Potential liegt und die H-Brückenschaltung so mit der Puls Stromversorgung in Wirkverbindung steht, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Anode auf positivem Potential liegt.

Description

Verfahren und Anordnung zum redundanten Anoden-Sputtern mit einer Dual-Anoden-Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum redundanten Anoden- Sputtern mit einer Dual-Anoden-Anordnung, bei dem zwei Anoden entgegengesetzt zueinander abwechselnd als Anode der Plasmaentladung und als Kathode zur Selbstreinigung während einer Ätzzeit betrieben werden und die Kathode der Plas¬ maentladung wiederkehrend zum Abbau statischer Aufladung kurzzeitig umgepolt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zum redundanten Anoden-Sputtern mit einer Dual-Anoden-Anordnung, umfassend eine Vakuumkammer mit einer Kammerwandung und darin angeordnet eine Kathode und eine erste und eine zweite Anode, die mittels einer H-Brückenschaltung, die einen ersten Brückenzweig und einen zweiten Brückenzweig umfasst, wobei beide Brückenzweige zusammen auf der einen Seite einen Plus-
Anschluss und beide Brückenzweige zusammen auf der anderen Seite einen Minus-Anschluss bilden.
In einer Zerstäubungsanlage wird bei einem Druck von einigen μbar eine Gasentladung zwischen einer Kathode und einer Ano- de gezündet. Das Material des Targets, das die der Gasentla¬ dung ausgesetzte Oberfläche der Kathode bildet, wird durch einen intensiven Ionenbeschuss abgetragen. Der Kathodenzer- stäubungsprozess erzeugt eine Wolke von Materialdampf, der sich auf allen Teilen in der Vakuumkammer niederschlägt. Ziel der Konstruktion von Zerstäubungsanlagen ist es, möglichst viel dieses abgestäubten Materials auf dem Substrat aufzufangen und möglichst wenig auf die Anoden gelangen zu lassen. Da sich häufig, gewollt oder ungewollt, bei der Ab¬ scheidung schlecht leitende oder isolierende Materialien bilden, wird der Stromfluss über die beschichtete Anoden¬ oberfläche mit der Zeit erheblich beeinträchtigt, so dass die Stabilität der Gasentladung bis zum völligen Verlöschen gestört wird.
Langzeitstabile Prozesse, bei denen von einem keramischen Target Oxide oder Nitride mit hoher Zerstäubungsrate abge¬ schieden werden, sind eine Herausforderung für den Aufbau einer Zerstäubungsanlage.
Die Verwendung von zwei Anoden, die im Wechsel als Anode und als Kathode zur Selbstreinigung betrieben werden, ist seit dem Patent US 6,183,605 bekannt. Diese Anordnung realisiert ein redundantes Anodensputtern, d. h. eine Kathodenzerstäu- bung mit einer zusätzlichen Anode. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Steuerung der Ätzwirkung bei kathodisch geschalteter Anode fehlt.
Mit der PCT-Anmeldung WO2007/051461 wurde die Steuerung der Ätzwirkung beschrieben. Diese Schrift enthält zwei Ausfüh- rungen, mit einem Mittelfrequenzgenerator oder mit einer DC- Stromversorgung (Gleichspannungs-Stromversorgung) , die puls- förmig die Leistung auf die Kathode und die beiden Anoden verteilt. Hierin sieht eine der Lösungen mit einer DC- Stromversorgung eine klassische H-Brückenschaltung aus vier Schaltern, insbesondere bestehend aus Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) vor, die zum Einen ein Umpolen der Anoden (Elektroden) und zum Anderen ein kurzzeitiges Umpolen der Kathode zum Absaugen von Elektronen aus dem Restplasma und zur Entladung bewirken. Diese Lösung und ihre Spannungs- verlaufe sind in den Fig. 1 und Fig. 2 wiedergeben.
Hierbei können kommerziell verfügbare DC-Stromversorgungen mit dem Prinzip des redundanten Anodensputterns mit zwei Anoden (Dual-Anoden) betrieben werden. Damit ist allerdings der Einsatz von Schaltern erforderlich, die die gesteuerte Umschaltung der Ströme an den Anoden bewirken aber gegen die Belastung durch die DC-Stromversorgungen geschützt sind.
Mit dem US 5,427,669 ist eine gepulste DC-Stromversorgung (Pulsstromversorgung) bekannt, die kurzzeitig die Kathode umpolt, so dass eventuelle Aufladungen auf der Kathode entladen werden. Das kurzzeitige Umpolen der Kathode erzeugt in der Schaltung durch hohe du/dt-Werte (Spannungsgradient) eine gefährliche Belastung für die Halbleiterschalter, die in Schaltbrücken üblicherweise eingesetzt werden. Kurzzeitig bedeutet in diesem Falle, dass die Dauer des Umschaltimpul- ses geringer ist als die Zeit bis zu einem nächsten Umschaltimpuls, also der Zeit, in der die Kathodenspannung negativ ist .
Diese Schaltung ist außerdem zwar für ein redundantes Anon- densputtern vorgesehen, nicht jedoch für den Einsatz bei Dual-Anoden.
Eine weitere Gefahr grundsätzlich für Halbleiterbauelemente als Schalter stellt das plötzliche Verlöschen des Plasmas durch z.B. zu niedrigen Druck dar. Diese als Lastabriss bezeichnete Situation erzeugt extreme Überspannungen, die zur Zerstörung von Halbleiterbauelementen führen, wenn es nicht gelingt, die Spannungen zu begrenzen.
Es besteht nunmehr die Aufgabe der Erfindung darin, die Wirkung des redundanten Anodensputtern mit Dual-Anoden zu verbessern und die Bauelementesicherheit zu erhöhen.
Die verfahrensseitige Lösung der Aufgabenstellung sieht vor, dass die Kathode und die Anoden aus einer Pulsstromversorgung gespeist werden, die Umpolung der Kathodenspannung aus der Pulsstromversorgung bewirkt wird, zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Anode auf positivem Potential und zeitweise während einer Ätzzeit die andere Anode auf negativem Poten¬ tial liegt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird damit die Entladung der Kathode durch die Spannungsversorgung und ebenfalls ein Anodensputtern bei Dual-Anoden ermöglicht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Spannung an der Kathode mittels der Pulsstromversorgung mit einem Spannungsimpuls umgepolt wird, dessen Impulsdauer geringer ist als die Hälfte der Zeit bis zum nächsten Impuls, vorzugsweise in einer Größenordnung geringer.
Es ist möglich, dass die Erzeugung der Kathodenspannung asynchron zu der Erzeugung der Anodenspannungen erfolgt. Damit ist es nicht notwendig, beide Zeitverläufe aneinander anzupassen, was den Aufwand verringert.
Da die Anoden nicht an gleicher Stelle im Plasma liegen kön- nen, unterscheidet sich die auf ihnen anzutreffende Be- schichtungsrate .
Damit benötigen die Anoden unterschiedliche Ätzraten. In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist es danach möglich, die Ansteuerung der H-Brückenschaltung so zu führen dass die Ätzzeiten der beiden Anoden eine unterschiedliche Länge auf¬ weisen .
Bei Stoffen mit einer Restleitfähigkeit vermeidet man ein vollständiges Blankätzen, weil damit die Gefahr des Abtra- gens von Anodenmaterial gegeben ist. Die Ätzzeit wird so eingestellt, dass eine geringfügige Beschichtung entsteht.
Kriterium für die notwendige Ätzzeit ist dabei die Beschich¬ tung der Anoden, die durch Interferenzfarben auf den Elektroden sichtbar wird, so dass in einer Ausführungsform der Erfindung die Ätzzeiten der Anoden gestoppt werden, wenn auf den Anoden Interferenzfarben auftreten.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Frequenz des Wechsels zwischen Ätzzeit und Anlegen einer Anodenspannung an den Anoden in der Größenordnung von IHz bis 1OkHz liegt. Die Frequenz für den Wechsel zwischen Ätzen und Anodenwirkung wird durch die Eigenschaften der an der Anode entstehenden Beschichtung diktiert. Handelt es sich um schlecht leitende Schichten, z.B. ZnO, dann reicht eine Wechselfrequenz von einigen Hertz aus. Handelt es sich um hochisolierende Schichten, dann ist mit einer Wechselfrequenz im Bereich von einigen 1OkHz zu arbeiten. Die Frequenz muss so hoch sein, dass die auf der Anode entstandene Schicht noch nicht zu einer völligen Isolation führt und damit das Abätzen verhindert. Andererseits entste¬ hen mit wachsender Wechselfrequenz unnötige Schaltverluste in der H-Brückenschaltung. Die Frequenz von 40 kHz ist für SiO2 ein guter Kompromiss.
Die anordnungsseitige Lösung der Aufgabenstellung sieht vor, dass die DC-Stromversorgung als eine Pulsstromversorgung ausgebildet ist und die H-Brückenschaltung mit einer Taktge- nerator verbunden ist und so mit der Pulsstromversorgung in Wirkverbindung steht, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Anode auf positivem Potential liegt.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, dass ein Mittelpunkt des ersten Brückenzweiges mit der ersten Anode und ein Mittelpunkt des zweiten Brü¬ ckenzweiges mit der zweiten Anode verbunden ist, dass der Plus-Anschluss der H-Brückenschaltung mit einem Plus-Ausgang der Pulsstromversorgung und der Minus-Anschluss der H- Brückenschaltung, mit dem Minus-Ausgang der Pulsstromversor- gung unter Bereitstellung einer eine Reinungsätzwirkung der Anoden während der Ätzzeit bewirkende Spannung verbunden ist .
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Mittelpunkt des ersten Brückenzweiges über eine erste Induktivität mit der ersten Anode und der Mittelpunkt des zweiten Brückenzweiges über eine zweite Induktivität mit der zweiten Anode verbunden sind. Die beiden Induktivitäten dienen dazu, eventuelle Rückwirkungen aus dem Anodenplasma in die Schalter zu dämpfen .
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch dadurch ausgebildet werden, dass von der ersten Anode zur Kammerwandung eine erste Reihenschaltung aus einer Diode (Vhzhl) und einem Widerstand (Rzhl) und von der zweiten Anode zur Kammerwandung eine zweite Reihenschaltung aus einer Diode (Vhzh2) und ei- nem Widerstand (Rzh2) geschaltet ist. Die Dioden- Widerstandskombinationen Vzhl-Rzhl bzw. Vzh2-Rzh2 dienen einerseits als Zündhilfe, weil eine Gasentladung in einer Anordnung mit von der Kathode aus nicht sichtbaren Anoden schlecht zündet, und andererseits zusammen mit den Indukti- vitäten L2 und L3 als Dämpfung gegen positive Rückspeisung aus dem Plasma.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Plus-Ausgang der Pulsstromversorgung über einen Kondensator kapazitiv an die Vakuumkammer, insbesondere die Kammerwandung angeschlossen ist. Damit wird verhindert, dass schädlichen Transienten (Spannungsspitzen) im Pluszweig auftreten .
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen den Plus- Anschluss und den Minus-Anschluss ein Kondensator geschaltet ist, wobei der Minus-Anschluss über eine Gleichrichterkette und einer Induktivität an den Minus-Ausgang der Pulsstromversorgung geschaltet ist und zwischen Gleichrichterkette und Plus-Anschluss eine Reihenschaltung aus einem Kondensa¬ tor und einem Widerstand geschaltet ist, wobei durch die Induktivität, den Kondensator (C2) und den Widerstand eine sehr schnelle Spannungsänderungen dämpfende Kombination gebildet wird.
Da ohne Synchronisation zwischen der Ansteuerung der H- Brücke und der Pulsstromversorgung gearbeitet werden soll, dient der Kondensator der Aufladung auf die Spitzenspannung aufgeladen, die an den Ausgängen der Pulsstromversorgung anliegt, über eine Gleichrichterkette Vll...Vln. Die Kombina¬ tion Ll - R2 - C2 dient der Dämpfung von sehr schnellen Spannungsänderungen, so dass die Gleichrichterkette VIl... VIn vor sehr schnellen Spannungsänderungen geschützt ist .
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig. 1 einen schematische Aufbau einer vergleichbaren Anordnung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen Spannungs-Zeit-Verlauf der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung und
Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf der Anoden- und Kathodenpo- tentiales .
Zur Realisierung der Umschaltung der Anoden 1; 2 wird eine H-Brückenschaltung (Vl... V4) mit Halbleiterschaltern verwendet, wie sie heute in vielen Stromrichtern und Stromversorgungen eingesetzt werden.
Der Mittelpunkt jedes Brückenzweiges, in Fig. 3 mit Al bzw. A2 bezeichnet, wird über die Induktivitäten L2 und L3 mit der ersten Anode 1 bzw. zweiten Anode 2 verbunden. Die beiden Induktivitäten L2 und L3 dienen dazu, eventuelle Rückwirkungen aus dem Anodenplasma in die Schalter (Vl...V4) zu dämpfen .
Die Dioden-Widerstandskombinationen Vzhl-Rzhl bzw. Vzh2-Rzh2 dienen einerseits als Zündhilfe, weil eine Gasentladung in einer Anordnung mit von der Kathode 3 aus nicht sichtbaren Anoden 1; 2 schlecht zündet, und andererseits zusammen mit den Induktivitäten L2 und L3 als Dämpfung gegen positive Rückspeisung aus dem Plasma.
Der Plus-Anschluss 4 der H-Brückenschaltung (Vl... V4) ist direkt mit dem Plus-Ausgang 5 der Pulsstromversorgung 6 verbunden. Um zu verhindern, dass schädlichen Transienten (Spannungsspitzen) im Pluszweig auftreten, wurde dieser über einen Kondensatorblock Cl kapazitiv an die Vakuumkammer 7, genauer an die Kammerwandung 8 angeschlossen. Diese Kondensatoren Cl müssen eine hinreichend kleine Eigeninduktivität aufweisen, damit auch bei schnellen Änderungen in der Ausgangsspannung der Pulsstromversorgung 6 nur ungefährliche Spannungsänderungen im Pluszweig auftreten.
Der Minus-Anschluss 9 der H-Brückenschaltung (Vl... V4) muss mit der Spannung gespeist werden, die eine Reinigung der Anoden 1; 2 während der Ätzzeit bewirkt. Da ohne Synchronisation zwischen der Ansteuerung der H- Brückenschaltung (Vl... V4) und der Pulsstromversorgung 6 gearbeitet werden soll, wurde ein Speicherkondensator C3 eingeführt, der mit dem Plus-Anschluss 4 und dem Minus- Anschluss 9 der H-Brückenschaltung (Vl... V4) verbunden wurde. Dieser Kondensator C3 wird über eine Gleichrichterkette Vlr..Vln auf die Spitzenspannung aufgeladen, die an den Ausgangsklemmen der Pulsstromversorgung anliegt. Die Kombination Ll - R2 - C2 dient der Dämpfung von sehr schnellen Span- nungsänderungen, so dass die Gleichrichterkette VIl... VIn vor sehr schnellen Spannungsänderungen geschützt ist.
Im Falle einer Überspannung am Ausgang der
Pulsstromversorgung 6 zwischen dem Plus-Ausgang 5 und einem Minus-Ausgang 10 der Pulsstromversorgung 6 würde sich der Kondensator C3 unzulässig hoch aufladen. Aus diesem Grunde wurde parallel zum Kondensator C3 ein Überspannungsschutz 11 angeordnet, die einen Thyristor 12 zündet, wenn die Spannung am Kondensator C3 einen eingestellten Schwellwert überschreitet. Damit wird über die Gleichrichter VIl... VIn und die Induktivität Ll die Pulsstromversorgung 6 kurzgeschlos¬ sen. Diesen Kurzschluss detektiert die Pulsstromversorgung 6 und schaltet den Strom ab.
Die Ansteuerung 13 der H-Brückenschaltung (Vl... V4) weist eine Besonderheit auf. Es muss, wie das Zeitdiagramm in Fig. 4 zeigt, immer garantiert werden, dass die Verbindung we¬ nigstens einer Anode 1; 2 mit dem Plus-Ausgang 5 der Puls¬ tromversorgung 6 gewährleistet ist. Das Zeitdiagramm zeigt, dass unmittelbar vor dem Zeitpunkt 1 die zweite Anode 2 ("Anode 2") den Hauptstrom der Entladung führt, während die erste Anode 1 ("Anode 1") auf negativem Potential ist und damit gereinigt wird. Damit sind bis zum Zeitpunkt 1 die Schalter V2 und V3 leitend und Vl und V4 gesperrt. Zum Zeit¬ punkt 1 wird der Schalter V2 gesperrt, so dass das negative Potential an der ersten Anode 1 ("Anode 1") sich verringert, wegen der nun fehlenden elektrischen Verbindung nimmt die erste Anode 1 ("Anode 1") kurzzeitig ein Potential an, das in der Nähe des Plasmapotentiales liegt. Nach einer nicht dargestellten Schaltverzögerung, die zur Vermeidung von Wettlaufproblemen in der H-Brückenschaltung infolge von Bauelementetoleranzen eingeführt wurde, wird der Schalter Vl leitend. Jetzt sind sowohl der Schalter Vl als auch der Schalter V3 leitend, so dass beide Anoden 1; 2 an der Stromführung der Entladung beteiligt sind. Das ist an dem Rückgang der Anodenspannung erkennbar.
Zum Zeitpunkt 2 wird der Schalter V3 geschlossen, damit steigt die Anodenspannung wieder an, und nach der Schaltver- zögerung V4 leitend, so dass der Ätzprozess an der zweiten
Anode 2 ("Anode 2") einsetzt. Zum Zeitpunkt 3 wird das Ätzen der zweiten Anode 2 ("Anode 2") wieder beendet, indem Schal¬ ter V4 geschlossen wird und nach der Schaltverzögerung V3 leitend, so dass wieder beide Anoden 1; 2 den Entladungs- ström führen.
Zum Zeitpunkt 4 wird die erste Anode 1 ("Anode 1") wieder an negatives Potential gelegt, so dass sie bis zum Zeitpunkt 5 geätzt wird.
Der Ablauf im Zeitpunkt 5 entspricht dem von Zeitpunkt 1.
Da die Anoden 1; 2 nicht an gleicher Stelle im Plasma liegen können, unterscheidet sich die auf ihnen anzutreffende Be- schichtungsrate .
Damit benötigen die Anoden 1; 2 unterschiedliche Ätzraten. Die Ansteuerung 13 der H-Brückenschaltung wird so geführt, dass unterschiedliche Ätzzeiten Zeitpunkte 2-3 bzw. Zeit¬ punkte 4-5 eingestellt werden. Wegen der Umschaltvorgänge ist die maximale Ätzzeit etwas kleiner als die maximale Ano¬ denzeit. Wenn die Ätzzeit verkürzt wird, verlängert sich die Zeit, in der beide Anoden parallel geschaltet als Anode der Entladung wirken.
Kriterium für die notwendige Ätzzeit ist die Beschichtung der Anoden 1; 2, die durch Interferenzfarben auf den Anoden 1; 2 sichtbar wird. Bei Stoffen mit einer Restleitfähigkeit vermeidet man ein vollständiges Blankätzen, weil damit die Gefahr des Abtra- gens von Anodenmaterial gegeben ist. Die Ätzzeit wird so eingestellt, dass eine geringfügige Beschichtung entsteht, die einen stabilen Betrieb zwischen zwei Wartungszyklen erlaubt .
Die Frequenz für den Wechsel zwischen Ätzen und Anodenwirkung wird durch die Eigenschaften der an der Anode 1; 2 entstehenden Beschichtung diktiert. Handelt es sich um schlecht leitende Schichten, z.B. ZnO, dann reicht eine Wechselfre¬ quenz von einigen Hertz aus. Handelt es sich um hochisolierende Schichten, dann ist mit einer Wechselfrequenz im Bereich von einigen 1OkHz zu arbeiten. Die Frequenz muss so hoch sein, dass die auf der Anode 1; 2 entstandene Schicht noch nicht zu einer völligen Isolation führt und damit das Abätzen verhindert. Andererseits entstehen mit wachsender Wechselfrequenz unnötige Schaltverluste in der H-Brücke . Die Frequenz von 40 kHz ist für SiO2 ein guter Kompromiss.
Die Vakuumkammer 7 wird über eine Vakuumpumpe 14 evakuiert. Mittels eines Gaseinlasses 15 kann sie wieder belüftet wer¬ den. Gegenüber der Kathode 3 ist in der Vakuumkammer 7 das zu beschichtende Substrat 16 angeordnet.
Verfahren und Anordnung zum redundanten Anoden-Sputtern mit einer Dual-Anoden-Anordnung
Bezugszeichenliste
1 erste Anode
2 zweite Anode
3 Kathode
4 PIus-AnschIuss
5 Plus-Ausgang
6 PulsStromversorgung
7 Vakuumkammer
8 Kammerwandung
9 Minus-AnsehIuss
10 Minus-Ausgang
11 Überspannungsschütz
12 Thyristor
13 Ansteuerung, Taktgenerator
14 Vakuumpumpe
15 Gaseinlass
16 Substrat
Vl . .. V4 Schalter einer H-Brückenschaltung
Al, A2 Mittelanschlüsse der Brückenschaltung
Ll.. . L3 Induktivitäten
Cl . .. C3 Kapazitäten, Kondensatoren
Vl1 ... Vln Dioden
Vzhl , Vzh2 Dioden
R2, Rzhl, Rzh2 Widerstände

Claims

Verfahren und Anordnung zum redundanten Anoden-Sputtern mit einer Dual-Anoden-Anordnung
1. Verfahren zum redundanten Anoden-Sputtern mit einer Dual-Anoden-Anordnung, bei dem zwei Anoden entgegengesetzt zueinander abwechselnd als Anode der Plasmaentladung und als Kathode zur Selbstreinigung während einer Ätzzeit betrieben werden und die Kathode der Plasmaentladung wiederkehrend zum Abbau statischer Aufladung kurzzeitig umgepolt wird, da¬ durch gekennz ei chnet , dass die Kathode (3) und die Anoden (1; 2) aus einer Pulsstromversorgung (6) gespeist werden, die Umpolung der Kathodenspannung aus der Pulsstrom¬ versorgung (6) bewirkt wird, zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Anode (1; 2) auf positivem Potential und zeitweise wäh¬ rend einer Ätzzeit die andere Anode (1; 2) auf negativem Potential liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zei chnet , dass die Spannung an der Kathode (3) mittels der Pulsstromversorgung (6) mit einem Spannungsimpuls umge¬ polt wird, dessen Impulsdauer geringer ist als die Hälfte der Zeit bis zum nächsten Impuls, vorzugsweise in einer Grö- ßenordnung geringer.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennz ei chnet , dass die Erzeugung der Kathodenspannung asynchron zu der Erzeugung der Anodenspannungen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennz ei chnet , dass die Ätzzeiten der beiden Anoden
(1; 2) eine unterschiedliche Länge aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennz ei chnet , dass die Ätzzeiten der Anoden (1; 2) gestoppt werden, wenn auf den Anoden (1; 2) Interferenzfar- ben auftreten.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz des Wechsels zwi¬ schen Ätzzeit und Anlegen einer Anodenspannung an den Anoden (1; 2) in der Größenordnung von IHz bis 1OkHz liegt.
7. Anordnung zum redundanten Anoden-Sputtern mit einer
Dual-Anoden-Anordnung, umfassend eine Vakuumkammer mit einer Kammerwandung und darin angeordnet eine Kathode und eine erste und eine zweite Anode, die mittels einer H- Brückenschaltung, die einen ersten Brückenzweig und einen zweiten Brückenzweig umfasst, wobei beide Brückenzweige zu¬ sammen auf der einen Seite einen Plus-Anschluss und beide Brückenzweige zusammen auf der anderen Seite einen Minus- Anschluss bilden, dadurch gekennzeichnet , dass die DC-Stromversorgung als eine Pulsstromversorgung (6) aus- gebildet ist und die H-Brückenschaltung (Vl... V4) mit einem Taktgenerator (13) verbunden ist und so mit der Pulsstromversorgung (6) in Wirkverbindung steht, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Anode (1; 2) auf positivem Potential liegt .
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass ein Mittelpunkt (Al) des ersten Brücken¬ zweiges mit der ersten Anode (1) und ein Mittelpunkt (A2) des zweiten Brückenzweiges mit der zweiten Anode (2) verbunden ist, dass der Plus-Anschluss (4) der H-Brückenschaltung mit einem Plus-Ausgang (5) der Pulsstromversorgung (6) und der Minus-Anschluss (9) der H-Brückenschaltung, mit dem Minus-Ausgang (10) der Pulsstromversorgung unter Bereitstellung einer eine Reinungsätzwirkung der Anoden (1; 2) während der Ätzzeit bewirkende Spannung verbunden ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , dass der Mittelpunkt (Al) des ersten Brückenzweiges über eine erste Induktivität (L2) mit der ersten Anode (1) und der Mittelpunkt (A2) des zweiten Brü¬ ckenzweiges über eine zweite Induktivität (L3) mit der zwei- ten Anode (2) verbunden ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass von der ersten Anode (1) zur Kammerwandung (8) eine erste Reihenschaltung aus einer Diode
(Vhzhl) und einem Widerstand (Rzhl) und von der zweiten Ano- de (2) zur Kammerwandung (8) eine zweite Reihenschaltung aus einer Diode (Vhzh2) und einem Widerstand (Rzh2) geschaltet ist .
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass der Plus-Ausgang (5) über einen Kondensator (Cl) kapazitiv an die Vakuumkammer (7), insbesondere die Kammerwandung (8) angeschlossen ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen den Plus-Anschluss (4) und den Minus-Anschluss (9) ein Kondensator (C3) geschaltet ist, wobei der Minus-Anschluss (9) über eine Gleichrichter¬ kette (Vll...Vln) und einer Induktivität (Ll) an den Minus- Ausgang (10) der Pulsstromversorgung (6) geschaltet ist und zwischen Gleichrichterkette (Vlr..Vln) und Plus-Anschluss (4) eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (C2) und einem Widerstand (R2) geschaltet ist, wobei durch die Induktivität (Ll), den Kondensator (C2) und den Widerstand (R2) eine sehr schnelle Spannungsänderungen dämpfende Kombination L1-C2-R2 gebildet wird.
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