WO2013045493A1 - Verfahren zum magnetronsputtern mit ausgleich der targeterosion - Google Patents

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WO2013045493A1
WO2013045493A1 PCT/EP2012/068962 EP2012068962W WO2013045493A1 WO 2013045493 A1 WO2013045493 A1 WO 2013045493A1 EP 2012068962 W EP2012068962 W EP 2012068962W WO 2013045493 A1 WO2013045493 A1 WO 2013045493A1
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magnet set
eroded
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Ralf Bandorf
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angwandten Forschung E.V.
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    • H01J37/3467—Pulsed operation, e.g. HIPIMS
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • H01J37/3464—Operating strategies
    • H01J37/347—Thickness uniformity of coated layers or desired profile of target erosion

Definitions

  • the invention relates to a method for magnetron sputtering.
  • Magnetron sputtering usually involves the erosion of a target used for sputtering.
  • the invention provides a method to compensate for this target erosion to thereby achieve a consistent sputtering result over the lifetime of the target.
  • the invention also provides a corresponding sputtering apparatus.
  • HIPIMS ionized sputtering
  • the target thickness decreases, thereby increasing the magnetic field strength at the target surface. This can dramatically affect the resulting plasma during ionized sputtering. It may apply strong differences existing ionizing ⁇ th species and their relative ratio in ⁇ .
  • Magnetron sputtering reduced. This leads to an effective increase of the magnetic field and thereby to a significant shift of the operating point. There is a significant modification of the ion-to-neutral ratio in the process.
  • the topography of the target surface is altered by the formation of racetracks. This also changes the impedance of the system as well as the sputtering rate and the distribution in which the sputtered material leaves the target surface. All these effects are evident in ionized sputtering and significantly affect the material flow arriving at the substrate to be coated in terms of energy distribution, particle density and ion-to-neutral particle ratio.
  • Various techniques have been developed to avoid the formation of racetracks and to achieve full surface erosion (full-face erosion). Such full-surface removal of the target is a component that contributes to process stability.
  • a full surface removal is realized, for example, by suitable movement of the magnets or, for example, example in tube cathodes (rotatables) by rotation of the tube cathodes.
  • these techniques do not consider a reduction in target thickness overall.
  • the progressive target erosion leads to a reduction of the system impedance.
  • a higher peak current sets in with constant voltage operation, which can lead to a transition to another regime (self-sputtering runaway).
  • the overall discharge characteristic changes. If the sputtering device is operated at constant power, there is a variation of the voltage, which has the same effect. Even small voltage changes in ionized sputtering have a massive effect on the process control, the resulting current at the target and the particle flow to the substrate.
  • the object of the present invention is to specify a method for magnetron sputtering in which
  • Targeterosion can occur, but in which the
  • Sputtervortechnische is performed, which has a cathode and a target which may be disposed on the cathode or may be part of the cathode.
  • the sputtering device further comprises at least egg ⁇ NEN magnet set is arranged on that side of the cathode facing away from a surface of the target used for sputtering '.
  • the magnet set is normally arranged so that its magnetic field passes through the target or the cathode.
  • the method according to the invention for magnetron sputtering is a method for pulsed magnetron sputtering.
  • the method can also be used in DC voltage sputtering.
  • the inventive method can be performed with any target or substrate geometries, particularly advantageous, especially with planar Tar gets ⁇ or cathode and the cathode tube or rohrför--shaped targets.
  • a distance between the magnet set and an eroding surface of the target is tracked in the course of the erosion of the target.
  • the magnet set and / or the target are shifted in such a way that the distance between the magnet set and the mentioned surface of the target preferably in the way remains substantially constant or advantageously changes only by less than a predetermined amount, which is less than the maximum change in the distance during the entire lifetime of the target, if the distance were not changed.
  • the distance is determined in this case in the direction perpendicular to the cathode surface. A change in the distance therefore comprises that the magnet set and / or target are displaced in the direction perpendicular to the cathode.
  • the tracking of the distance is performed so that an impedance of a circuit comprising the cathode changes by less than a predetermined value in the course of the erosion of the target by the erosion.
  • the predetermined value is chosen so that it is on the one hand smaller than an impedance difference between the impedance at non-eroded target, ie a new target, and the impedance at maximum eroded target, if the distance would not be changed (so here was the
  • the distance between the magnet set and a non-eroding surface of the cathode is thus tracked or kept constant so that the impedance is no more than a desired one
  • the predetermined value can be chosen so that allowed by
  • Impedance change does not change the result of sputtering in the course of the target erosion more than is acceptable given the use of the coated object.
  • the concrete choice of the given value will therefore depend in individual cases on how uniform the coating result must be.
  • the impedance can be determined directly. This is not necessary. As explained below will lead, it is possible to determine other sizes and track the distance accordingly, with the result that the impedance behaves as described above.
  • Target surface and the magnet set is considered only relatively for the adjustment of the impedance according to the invention. So he can with respect to any points of the magnet set and the eroding
  • Target surface are determined, as long as these points are chosen consistently in the course of the target erosion.
  • the method according to the invention can be carried out particularly advantageously with a tubular cathode sputtering device.
  • a tubular cathode sputtering device Such has a tubular cathode, in the interior of which the magnet set is arranged.
  • the target surface, which erodes during sputtering, is the outside of the tube cathode or arranged on this.
  • the displacement ⁇ tion of the magnet set can advantageously be carried out continuously us in particular without a change of the magnet sets would be required.
  • the magnet sets are displaced only in the radial direction, while their angular position can remain unchanged.
  • the position of the magnet set so the target erosion can be compensated, so that the magnetic field always penetrates the eroding target surface within the specified limits in the same way.
  • the cathode may also be a planar cathode at the magnets are arranged on that side of the cathode facing away from the eroding surface.
  • the magnet set can be moved in the direction perpendicular to the plane of the cathode for tracking the distance.
  • the magnets can always be moved straight in the direction in which the
  • Target thickness changes, in which therefore the target erosion takes place.
  • Target surface and / or the magnet set by position measurement preferably to determine optical measurement with a measuring device, for example by means of an interferometer. Since the position of the optical measuring device and of the magnet set can be assumed to be known, the current position of the eroding surface can be determined particularly advantageously by means of the measuring device and the distance between the magnet set and the eroding surface can be determined from this position. It is not necessary to determine an absolute value of the distance, since it is sufficient to shift the magnet set just by the amount by which the position of the eroding target surface has changed by the erosion. If this change is thus determined by means of the measuring device, then the
  • Other measuring methods for determining the position of the eroding target surface can be used accordingly, for example tactile measuring methods.
  • each Position change of the eroding target surface ie, compensate for any change in thickness of the target. It is sufficient if the magnet set is tracked so that the change of the impedance remains within the predetermined range. For this purpose, it is also sufficient to determine the position of the eroding surface or the distance between the magnet set and ero ⁇ dierender surface only at certain times and track the distance only at certain times and / or in stages. For example, the distance can always be tracked at the beginning of a sputtering. However, it is preferred to keep said distance substantially constant and to track the magnet set continuously, for which reason continuous measurement methods are preferred.
  • a charging voltage by means of which a capacitor for generating pulses of the pulse sputtering is charged, and then to determine the peak current of the current pulses flowing through that circuit comprising the cathode.
  • the applied average power is recorded. It may then be tracked the distance so that the peak current changes in the course of Erodierens the target by less than a predetermined value.
  • the predetermined value is chosen so that it is smaller than a difference between the peak current at non-eroded target on the one hand and the peak current at maximum eroded target assuming a non-tracked distance.
  • the distance can be tracked so that a burning voltage when held abutting
  • Performance at the eroding target surface itself by the erosion by less than a predetermined value, which in turn is smaller than a difference between the burning voltage at non-eroded target and the burning voltage at maximum eroded target at non-tracked distance.
  • the peak current can be specified.
  • the distance can also be tracked so that a pulse shape of voltage and / or current in the circuit comprising the cathode changes by less than a predetermined amount, which is smaller than the difference between the pulse shape with non-eroded target and the pulse shape at maximum eroded target assuming a non-tracked distance between eroding surface and
  • the pulse shapes can be compared, for example, point by point at specific time bases in the pulse progression.
  • the method according to the invention is particularly advantageous as a high-power impulse
  • the duration of a pulse can be -5 10 ms, preferably 1 ms, more preferably ⁇ 500 s, and the peak power density of the pulses is 50 50 in each case
  • W / cm 2 preferably ⁇ 100 W / cm 2 , more preferably
  • the peak current density ⁇ 0.1 A / cm 2 preferably about 0.2 A / cm 2 , particularly preferably 0.5 A / cm 2 .
  • the invention also provides a magnetron sputtering apparatus comprising a cathode, a target disposed on or forming part of the cathode, and a magnet set disposed on one of the sputtering substrates
  • Target surface facing away from the cathode ange- is orders.
  • the magnet set according to the invention is displaced so that the distance between the
  • Sputtern used target surface and magnet set to compensate for target erosion can be tracked.
  • the magnet set is displaceable in a direction perpendicular to the
  • Target surface is.
  • the magnet set can be moved continuously.
  • the magnetron sputtering apparatus is designed so that it can be carried out with its inventive method described above for magnetron sputtering.
  • the sputtering device is preferably a pulse magnetron sputtering device, but it can also be a with
  • 1A, 1B are distributions of a magnetic field on two different cathodes, correlated with pulse currents, which are shown in FIG. 2, FIG.
  • Figure 2 shows a current waveform of a pulse at
  • Figure 3 schematically shows a section through two cathodes, wherein in the one cathode
  • FIG. 4 schematically shows an adaptation of a spacing between the target surface and the magnet set in a tubular cathode
  • FIG. 5 schematically shows the method according to the invention, wherein the position of the target surface is determined optically
  • FIG. 6 shows a method according to the invention in which the distance between target surface and magnet set is set on the basis of electrical variables.
  • FIG. 1A shows a cathode A and FIG. 1B a cathode B.
  • the magnetic field is plotted on the eroding surface of the two cathodes.
  • each of the width direction, and the vertical axis is the height direction of the cathode is shown on the hori zontal axis ⁇ .
  • the field strength is plotted perpendicular to the surface directly at the target surface in Mili-Tesla (mT).
  • FIG. 1A shows a cathode A and FIG. 1B a cathode B.
  • the magnetic field is plotted on the eroding surface of the two cathodes.
  • each of the width direction, and the vertical axis is the height direction of the cathode is
  • FIG. 2 shows, by way of example, the time profile of a current through a circuit comprising a cathode of a sputtering apparatus in the case of pulsed magnetron sputtering.
  • the current is plotted on the horizontal axis and the current on the vertical axis.
  • the first current waveform 2 was taken with the first cathode A, on which a weaker magnetic field was present, as shown in Figure 1A.
  • the second pulse 1 was taken with the second cathode B, on which a stronger magnetic field was present, as in
  • the cathode surface is sputtered off and the distance between the magnet set and the target surface is thereby reduced. This leads to an effective increase of the
  • the topography of the target surface may be changed by the formation of racetracks, ie local depressions, which are created by the fact that material is removed in the sputtering process only at certain points of the target.
  • FIG. 3 shows on the left a non-eroded target and on the right a target that is permanently in one
  • the targets are here in a section in a plane perpendicular to
  • Target surface that is eroded shown.
  • racetracks 3a and 3b have formed, which are shown as depressions in section. Due to this altered topography of the target surface, the course of magnetic field lines 4 changes, which in the
  • Magnetron sputtering enforce the target.
  • a field strength of the magnetic field 4 changes at the target surface.
  • FIG. 4 shows by way of example a procedure for carrying out the method according to the invention in FIG.
  • a magnet set 7 is arranged, which has three parallel elongated branches in the example shown, which are arranged on a common, perpendicular thereto, connecting element.
  • the branches can act alternately as north and south pole, so that for example the two outer branches south poles and the middle branch can be a north pole or the other way round.
  • magnetic fields 4 which are the
  • the partial figure A shows a new, non-eroded tube cathode 8.
  • the magnet set 7 has a certain distance from the surface 5 of the tube cathode 8, so that the magnetic field 4 at the surface 5 of the tube cathode has a certain field strength.
  • the magnet set 7 can now be displaced in the direction of a radius of the tube cathode 8. If the magnet set 7 is moved away from the surface of the tube cathode 8 by a distance which corresponds to the distance between the non-eroded surface 5 and the eroded surface 6, the magnetic fields 4 penetrate the eroded surface 6 in the same way as the non-eroded surface 6. eroded surface 5 have penetrated before the erosion of the target.
  • the magnet set 7 can be moved continuously or stepwise.
  • the distance between the cathode surface 6 and the magnet set 7 is always tracked so that the effect of the erosion of the target 8 is compensated. Specifically, the distance is adjusted so that an impedance of a circuit including the cathode 8 changes by less than a predetermined value in the course of eroding the target 8 by the erosion, which is smaller than an impedance difference between the impedance of the non-eroded target 8 and the impedance at maximum eroded target 8, if the magnet set 7 is not tracked, so the distance of the magnet set to the inner surface of the cathode is kept constant.
  • FIG. 5 shows by way of example an embodiment of the method according to the invention in which the current position of the eroding target surface is optically determined.
  • Target surface 5 blasted and from there in the meter 9 determines the position of the target surface 5.
  • the magnet set 7 in the interior of the tubular cathode 8, for example via a fine control is radially retracted corresponding to the removal of material (target erosion), so that over the entire operating time the distance of the magnet set 7 to the target surface 5, 6, the continuous is removed, remains constant.
  • the optical sensor 9 can provide information on how large the remaining target thickness is and when a target change should take place.
  • the magnet set 7 can be configured, for example, as shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a further possibility for carrying out the method according to the invention in one
  • Tube cathode sputter device Depending on the pulse generator used, a characteristic current curve 11 occurs in the pulse for a given voltage / power. Power, current and voltage as input quantities may differ from the output variables. Controlled variable is the current waveform / Leis ⁇ tung 11 extending at the cathode 8. This is to be kept constant.
  • the control mechanism used in the example uses a predetermined parameter setting on the generator which generates a defined pulse signal (power). This pulse signal is kept constant by changing the magnetic field with respect to the cathode as described above, ie by the magnet set 7 being displaced radially.
  • the pulse course of the current / the power can be determined, for example, by means of an oscilloscope 11.

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Abstract

Verfahren zum Magnetron-Sputtern in einer Sputtervorrichtung, die eine Kathode, ein Target, das an einer Oberfläche der Kathode angeordnet ist oder Teil dieser Oberfläche der Kathode ist, und einen auf einer dieser Oberfläche abgewandten Seite der Kathode angeordneten Magnetsatz aufweist, wobei während des Sputterns das Target auf einer erodierenden Oberfläche zumindest bereichsweise erodiert wird, und wobei ein Abstand zwischen dem Magnetsatz und der erodierenden Oberfläche des Targets im Verlauf des Erodierens so nachgeführt wird, dass eine Impedanz eines die Kathode umfassenden Stromkreises sich im Laufe des Erodierens durch das Erodieren nur um weniger als einen vorbestimmten Wert ändert, der kleiner ist als eine Impedanzdifferenz zwischen der Impedanz bei nicht-erodiertem Target und der Impedanz bei maximal erodiertem Target bei nicht nachgeführtem Abstand.

Description

Verfahren zum Magnetronsputtern mit Ausgleich der
Targeterosion
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Magnetronsputtern. Magnetron-Sputtern geht normalerweise mit der Erosion eines zum Sputtern verwendeten Targets einher. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, um diese Targeterosion auszugleichen, um dadurch ein über die gesamte Lebensdauer des Targets konstantes Sputterergebnis zu erzielen. Die Erfindung stellt außerdem eine entsprechende Sputtervorrichtung bereit .
Beim ionisierten Sputtern (HIPIMS, MPP, ...) bestimmt das vorliegende Magnetfeld die resultierende Plasma¬ zusammensetzung. Es wurde gezeigt, dass die Spitzen- stromdichte bzw. der Spitzenstrom erhöht werden kann, wenn die Magnetfeldstärke erhöht wird, während die angelegte Spannung und Leistung konstant bleiben.
Beim Betrieb eines Magnetrons wird mit zunehmender Targeterosion die Targetdicke geringer und dadurch die magnetische Feldstärke an der Targetoberfläche größer. Dies kann sich beim ionisierten Sputtern drastisch auf das resultierende Plasma auswirken. Es können starke Unterschiede der vorhandenen ionisier¬ ten Spezies bzw. deren relativen Verhältnisses auf¬ treten .
Schon eine leicht unterschiedliche Magnetfeldverteilung (vergl. Fig. 1) führt zu einem signifikanten Unterschied im Spitzenstrom der Pulse (vergl. Fig. 2) bei gleicher Ladespannung am Pulsgenerator.
Sputtervorrichtung . Hieraus resultieren unterschiedliche Ionisationsgrade, was wiederum die resultierende Schichtstruktur beeinflusst.
Im Langzeitbetrieb von Sputtervorrichtungen wird die Kathodenoberfläche bzw. Targetoberfläche
abgesputtert , also erodiert, wodurch sich der Abstand dieser Kathodenoberfläche bzw. Targetoberfläche von einem hinter der Kathode angeordneten Magnetsatz zur
Erzeugung des magnetischen Feldes in der
Magnetronsputteranlage reduziert. Dies führt zu einer effektiven Erhöhung des Magnetfeldes und dadurch zu einer signifikanten Verschiebung des Arbeitspunktes. Es kommt zu einer signifikanten Modifikation des Io- nen-zu-Neutralteilchen-Verhältnisses im Prozess.
In einigen Magnetronsputtervorrichtungen wird außerdem die Topographie der Targetoberfläche durch die Ausbildung von Racetracks verändert. Hierdurch ändert sich ebenfalls die Impedanz des Systems sowie die Sputterrate und die Verteilung, in welcher das abgestäubte Material die Targetoberfläche verlässt. Alle diese Effekte schlagen bei ionisiertem Sputtern zu Buche und beeinflussen signifikant den am zu be¬ schichtenden Substrat ankommenden Materialfluss hinsichtlich Energieverteilung, Teilchendichte und Ionen- zu-Neutralteilchen-Verhältnis . Es wurden verschiedene Techniken entwickelt, die Ausbildung von Racetracks zu vermeiden und einen voll¬ flächigen Abtrag ( Full-Face-Erosion) zu erzielen. Ein solcher vollflächiger Abtrag des Targets ist eine Komponente, die zur Prozessstabilität beiträgt. Ein vollflächiger Abtrag wird beispielsweise durch geeignete Bewegung der Magnete realisiert oder beispiels- weise bei Rohrkathoden (Rotatables) durch Rotation der Rohrkathoden. Diese Techniken berücksichtigen jedoch keine Reduktion der Targetdicke insgesamt. Generell führt die fortschreitende Targeterosion zu einer Reduktion der Systemimpedanz. Dadurch stellt sich bei einem Betrieb mit konstanter Spannung ein höherer Spitzenstrom ein, wodurch sich ein Übergang in ein anderes Regime (Self-Sputtering Runaway) erge- ben kann. Allgemein verändert sich die gesamte Entladungscharakteristik. Wird die Sputtervorrichtung bei konstanter Leistung betrieben, ergibt sich eine Variation der Spannung, was denselben Effekt hat. Schon geringe Spannungsänderungen beim ionisierten Sputtern haben einen massiven Effekt auf die Prozessführung, den resultierenden Strom am Target und den Teilchenstrom zum Substrat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver- fahren zum Magnetronsputtern anzugeben, bei dem
Targeterosion auftreten kann, bei dem aber das
Sputterergebnis, insbesondere der Teilchenstrom und das Ionen-zu-Neutralteilchen-Verhältnis zum Substrat im Wesentlichen unverändert bleiben, so dass sich über die gesamte Lebensdauer des Targets ein konstan¬ tes Sputterergebnis ergibt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Magnetronsputtern nach Anspruch 1 und die Puls- Magnetron-Sputtervorrichtung nach Anspruch 10. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Magnetronsputtern und der erfindungsgemäßen
Magnetron-Sputtervorrichtung an.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Magnetronsputtern angegeben, das in einer
Sputtervorrichtung durchgeführt wird, die eine Kathode und ein Target, das an der Kathode angeordnet sein kann oder das Teil der Kathode sein kann, aufweist. Die Sputtervorrichtung weist außerdem mindestens ei¬ nen Magnetsatz auf, der auf jener Seite der Kathode angeordnet ist, die einer zum Sputtern verwendeten Oberfläche des Targets abgewandt' ist. Der Magnetsatz ist dabei normalerweise so angeordnet, dass sein Magnetfeld das Target bzw. die Kathode durchsetzt.
Bevorzugterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Magnetronsputtern ein Verfahren zum gepulsten Magnetronsputtern. Allerdings kann das Verfahren auch in Gleichspannungs-Sputterverfahren zum Einsatz kommen .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit beliebigen Target- bzw. Substratgeometrien durchgeführt werden, insbesondere besonders vorteilhaft mit planaren Tar¬ gets bzw. Kathoden und mit Rohrkathoden bzw. rohrför- migen Targets.
Normalerweise findet beim Magnetronsputtern während des Sputterns eine Erosion des Targets statt. Das bedeutet, dass Material vom Target abgetragen wird. Hierdurch ändert sich dessen Topographie und/oder Dicke. Zum Ausgleich der Targeterosion wird nun erfindungsgemäß ein Abstand zwischen dem Magnetsatz und einer erodierenden Oberfläche des Targets im Verlauf des Erodierens des Targets nachgeführt. Das bedeutet, dass der Magnetsatz und/oder das Target so verschoben werden, dass der Abstand zwischen dem Magnetsatz und der genannten Oberfläche des Targets bevorzugt im We- sentlichen konstant bleibt oder sich vorteilhaft nur um weniger als einen vorgegebenen Betrag ändert, der geringer ist als die maximale Änderung des Abstandes während der gesamten Lebensdauer des Targets, wenn der Abstand nicht verändert würde. Der Abstand wird hierbei in Richtung senkrecht zu der Kathodenoberfläche bestimmt. Eine Änderung des Abstandes umfasst daher, dass Magnetsatz und/oder Target in Richtung senkrecht zur Kathode verschoben werden.
Erfindungsgemäß wird die Nachführung des Abstandes so durchgeführt, dass eine Impedanz eines die Kathode umfassenden Stromkreises sich im Laufe des Erodierens des Targets durch das Erodieren um weniger als einen vorbestimmten Wert ändert. Der vorbestimmte Wert ist dabei so gewählt, dass er einerseits kleiner ist als eine Impedanzdifferenz zwischen der Impedanz bei nicht-erodiertem Target, also einem neuen Target, und der Impedanz bei maximal erodiertem Target, wenn der Abstand nicht verändert würde (hier blieben also der
Abstand zwischen Magnetsatz und einer nicht erodierenden Oberfläche der Kathode konstant) . Der Abstand zwischen Magnetsatz und erodierender Targetoberfläche wird also so nachgeführt bzw. konstant gehalten, dass sich die Impedanz um nicht mehr als einen gewünschten
Wert ändert. Der vorgegebene Wert kann dabei so gewählt werden, dass sich durch erlaubte
Impedanzänderung das Ergebnis des Sputterns im Laufe der Targeterosion nicht stärker ändert, als dies an- gesichts der Verwendung des beschichteten Objektes akzeptabel ist. Die konkrete Wahl des vorgegebenen Wertes wird also im Einzelfall davon abhängen, wie gleichmäßig das Beschichtungsergebnis sein muss.
Die Impedanz kann dabei direkt bestimmt werden. Dies ist jedoch nicht notwendig. Wie weiter unten ausge- führt werden wird, ist es möglich, andere Größen zu bestimmen und den Abstand entsprechend nachzuführen, wobei sich im Ergebnis die Impedanz wie vorstehend beschrieben verhält.
Der Anstand zwischen der erodierenden
Targetoberfläche und dem Magnetsatz wird für die Anpassung der Impedanz gemäß der Erfindung nur relativ berücksichtigt. Er kann also bezüglich beliebiger Punkte des Magnetsatzes und der erodierenden
Targetoberfläche bestimmt werden, solange diese Punkte im Laufe der Targeterosion gleichbleibend gewählt werden .
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Rohrkathodensputtervorrichtung durchführbar. Eine solche weist eine rohrförmige Kathode auf, in deren Innerem der Magnetsatz angeordnet ist. Die Targetoberfläche, die beim Sputtern erodiert, ist dabei die Außenseite der Rohrkathode oder auf dieser angeordnet. Vorteilhafterweise wird zum beschriebenen Nachführen des Abstandes der Magnetsatz in radialer Richtung, d.h. in Richtung eines Radius des Rohres der Rohrkathode, verschoben. Die Verschie¬ bung des Magnetsatzes kann dabei vorteilhaft kontinuierlich erfolgen uns insbesondere ohne dass ein Wechsel der Magnetsätze erforderlich wäre.
Bevorzugterweise werden die Magnetsätze nur in radialer Richtung verschoben, während ihre Winkelposition unverändert bleiben kann. Durch die Veränderung der Position des Magnetsatzes kann also die Targeterosion ausgeglichen werden, so dass das Magnetfeld die erodierende Targetoberfläche innerhalb der vorgegebenen Grenzen stets in gleicher Weise durchsetzt.
Die Kathode kann auch eine planare Kathode sein, bei der die Magnete auf jener der erodierenden Oberfläche abgewandten Seite der Kathode angeordnet sind. Hier kann der Magnetsatz in Richtung senkrecht zur Ebene der Kathode zur Nachführung des Abstandes bewegt wer- den .
Generell können die Magnete stets gerade in jener Richtung bewegt werden, in welcher sich die
Targetdicke ändert, in welcher also die Targeterosion stattfindet.
Es existieren verschiedene Möglichkeiten, die Nachführung des Abstandes zu steuern. Zum einen ist es möglich, die aktuelle Position der erodierenden
Targetoberfläche und/oder des Magnetsatzes durch Positionsmessung, bevorzugt optische Messung mit einer Messvorrichtung, beispielsweise mittels eines Inter- ferometers, zu bestimmen. Da die Position des optischen Messgerätes sowie des Magnetsatzes als bekannt vorausgesetzt werden können, kann besonders vorteilhaft die aktuelle Position der erodierenden Oberfläche mittels der Messvorrichtung bestimmt werden und aus dieser Position der Abstand zwischen Magnetsatz und erodierender Oberfläche bestimmt werden. Es ist nicht notwendig, einen Absolutwert des Abstandes zu bestimmen, da es ausreichend ist, den Magnetsatz gerade um jenen Betrag zu verschieben, um den sich die Position der erodierenden Targetoberfläche durch die Erosion verändert hat. Wird diese Veränderung also mittels der Messvorrichtung bestimmt, so kann der
Magnetsatz entsprechend verschoben werden. Andere Messverfahren zur Bestimmung der Position der erodierenden Targetoberfläche können entsprechend angewendet werden, beispielsweise taktile Messverfahren.
Wie dargelegt ist es nicht unbedingt notwendig, jede Positionsänderung der erodierenden Targetoberfläche, d.h. jede Dickenänderung des Targets, auszugleichen. Es ist ausreichend, wenn der Magnetsatz so nachgeführt wird, dass die Änderung der Impedanz innerhalb des vorgegebenen Bereichs verbleibt. Hierzu ist es auch ausreichend, die Position der erodierenden Oberfläche bzw. den Abstand zwischen Magnetsatz und ero¬ dierender Oberfläche nur zu bestimmten Zeiten zu bestimmen und den Abstand nur zu bestimmten Zeiten und/oder stufenweise nachzuführen. So kann beispielsweise der Abstand immer zu Beginn einer Sputterung nachgeführt werden. Es ist jedoch bevorzugt, den genannten Abstand im Wesentlichen konstant zu halten und den Magnetsatz kontinuierlich nachzuführen, wes- halb kontinuierliche Messverfahren bevorzugt sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, eine Ladespannung vorzugeben, mittels derer eine Kapazität zur Erzeugung von Pulsen des Pulssputterns geladen wird, und dann den durch jenen die Kathode umfassenden Stromkreis fließenden Spitzenstrom der Strompulse zu bestimmen. Dabei wird die anliegende mittlere Leistung festgehalten. Es kann dann der Abstand so nachgeführt werden, dass sich der Spitzenstrom im Laufe des Erodierens des Targets um weniger als einen vorbestimmten Wert ändert. Auch hier wird der vorbestimmte Wert so gewählt, dass er kleiner ist als eine Differenz zwischen dem Spitzenstrom bei nicht-erodiertem Target einerseits und dem Spitzenstrom bei maximal erodiertem Target unter Annahme eines nicht-nachgeführten Abstandes .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er¬ findung kann der Abstand so nachgeführt werden, dass eine Brennspannung bei festgehaltener anliegender
Leistung an der erodierenden Targetoberfläche sich durch das Erodieren um weniger als einen vorgegebenen Wert ändert, der wiederum kleiner ist als eine Differenz zwischen der Brennspannung bei nicht-erodiertem Target und der Brennspannung bei maximal erodiertem Target bei nicht-nachgeführtem Abstand. In diesem
Fall kann der Spitzenstrom vorgegeben werden.
Generell kann der Abstand auch so nachgeführt werden, dass eine Pulsform von Spannung und/oder Strom in dem die Kathode umfassenden Stromkreis sich um weniger als einen vorgegebenen Betrag ändert, der kleiner ist als die Differenz zwischen der Pulsform bei nicht- erodiertem Target und der Pulsform bei maximal erodiertem Target unter Annahme eines nicht-nachgeführ- ten Abstandes zwischen erodierender Oberfläche und
Magnetsatz. Die Pulsformen können dabei beispielsweise punktweise an bestimmten zeitlichen Stützpunkten im Pulsverlauf verglichen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft als Hochleistungs-Impuls-
Magnetronsputterverfahren ausführbar (HIPIMS) . Dabei kann die Dauer eines Pulses jeweils -5 10 ms, vorzugsweise 1 ms, besonders bevorzugt ^ 500 s sein und die Spitzen-Leistungsdichte der Pulse jeweils ^ 50
W/cm2, vorzugsweise ^ 100 W/cm2, besonders bevorzugt
> 1 kW/cm2 sein oder die Spitzen-Stromdichte ^ 0,1 A/cm2, vorzugsweise ä 0,2 A/cm2, besonders bevorzugt 0,5 A/cm2.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Magnetron- Sputtervorrichtung angegeben, die eine Kathode, ein Target, das an der Kathode angeordnet ist oder Teil der Kathode ist, und einen Magnetsatz aufweist, der auf einer der zum Sputtern verwendeten
Targetoberfläche abgewandten Seite der Kathode ange- ordnet ist. Dabei ist erfindungsgemäß der Magnetsatz so verschiebbar, dass der Abstand zwischen zum
Sputtern verwendeter Targetoberfläche und Magnetsatz zum Ausgleich von Targeterosion nachgeführt werden kann. Vorzugsweise ist dabei der Magnetsatz in einer Richtung verschiebbar, die senkrecht zur
Targetoberfläche steht. Besonders bevorzugt kann der Magnetsatz kontinuierlich verschoben werden.
Bevorzugterweise ist die Magnetron-Sputtervorrichtung gemäß der Erfindung so ausgestaltet, dass mit ihr oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren zum Magnetron-Sputtern durchführbar ist. Insbesondere ist die Sputtervorrichtung bevorzugt eine Puls-Magnetron- Sputtervorrichtung, sie kann aber auch eine mit
Gleichspannung betriebene Sputtervorrichtung sein.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszei¬ chen entsprechen dabei gleichen oder entsprechenden Merkmalen. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel in anderen Ausführungsformen der Erfindung realisiert sein, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist .
Es zeigt
1A, 1B Verteilungen eines magnetischen Feldes auf zwei verschiedenen Kathoden, korreliert mit Pulsströmen, die in Figur 2 ge zeigt sind,
Figur 2 einen Stromverlauf eines Pulses beim
Hochenergieimpulsmagnetronsputtern für zwei unterschiedliche Kathoden bzw. Mag- netfeidstärken der Kathoden im Vergleich,
Figur 3 schematisch einen Schnitt durch zwei Kathoden, wobei in der einen Kathode
Racetracks ausgebildet sind,
Figur 4 schematisch eine Anpassung eines Abstan- des zwischen Targetoberfläche und Magnetsatz in einer Rohrkathode,
Figur 5 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren, wobei die Position der Targetoberfläche optisch ermittelt wird, und Figur 6 ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem der Abstand zwischen Targetoberfläche und Magnetsatz anhand elektrischer Größen eingestellt wird. Figur 1A zeigt eine Kathode A und Figur 1B eine Kathode B. Dabei ist in den Figuren 1A und 1B das magnetische Feld auf der erodierenden Oberfläche der beiden Kathoden eingezeichnet. Hier ist auf der hori¬ zontalen Achse jeweils die Breitenrichtung und auf der vertikalen Achse die Höhenrichtung der Kathode dargestellt. Eingetragen ist die Feldstärke senkrecht zur Oberfläche direkt an der Targetoberfläche in Mil- li-Tesla (mT) . In Figur 2 ist beispielhalft der zeitliche Verlauf eines Stroms durch einen Stromkreis, der eine Kathode einer Sputtervorrichtung umfasst, beim gepulsten Magnetronsputtern dargestellt. Dabei ist auf der horizontalen Achse die Zeit und auf der vertikalen Ach- se die Stromstärke aufgetragen. Eine angelegte
Gleichspannung beträgt UDC = 490 V und der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulsen, von denen hier nur einer gezeigt ist, beträgt t0ff = 4900 is .
Es wurde hierbei mit einem Titantarget gesputtert.
Der erste Stromverlauf 2 wurde mit der ersten Kathode A aufgenommen, auf der ein schwächeres Magnetfeld vorlag, wie es in Figur 1A gezeigt ist. Der zweite Puls 1 wurde mit der zweiten Kathode B aufgenommen, auf der ein stärkeres Magnetfeld vorlag, wie es in
Figur 1B dargestellt ist.
Aus den Figuren 1 und 2 ist zu erkennen, dass, wenn an der Kathodenoberfläche die Magnetfeldverteilung nur leicht unterschiedlich ist, sich der Spitzenstrom wie in Figur 1 gezeigt bei gleicher Ladespannung an der Kathode signifikant unterscheidet. Hierdurch er¬ geben sich unterschiedliche Ionisationsgrade, was wiederum die im Sputterprozess erzeugte Schic tstruk- tur beeinflusst. Hier ist es ein statischer Zustand.
Beim Langzeitbetrieb eines Sputtertargets wird die Kathodenoberfläche abgesputtert und der Abstand zwischen Magnetsatz und Targetoberfläche hierdurch redu- ziert. Dies führt zu einer effektiven Erhöhung des
Magnetfeldes und somit zu einer signifikanten Verschiebung des Arbeitspunktes. Das Ionen-zu- Neutralteilchen-Verhältnis wird signifikant verändert .
Darüberhinaus wird, wie in Figur 3 gezeigt, u.U. die Topographie der Targetoberfläche durch die Ausbildung von Racetracks verändert, d.h. lokalen Vertiefungen, die dadurch entstehen, dass im Sputterprozess nur an bestimmten Stellen des Targets Material abgetragen wird. Figur 3 zeigt links ein nicht-erodiertes Target und rechts ein Target, das dauerhaft in einem
Sputterprozess eingesetzt wurde. Die Targets sind hierbei im Schnitt in einer Ebene senkrecht zur
Targetoberfläche, die erodiert wird, gezeigt. Durch die Targeterosion haben sich im in Figur 3 rechts gezeigten Fall Racetracks 3a und 3b ausgebildet, die im Schnitt als Vertiefungen gezeigt sind. Durch diese veränderte Topographie der Targetoberfläche ändert sich der Verlauf von Magnet feldlinien 4, die im
Magnetronsputtern das Target durchsetzen. Insbesondere ändert sich eine Feldstärke des Magnetfeldes 4 an der Targetoberfläche.
Figur 4 zeigt beispielhaft eine Vorgehensweise bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im
Falle einer Sputtervorrichtung, in der Rohrkathoden 8 zum Einsatz kommen. Die Rohrkathoden 8 sind in Figur 4 in einer Schnittebene senkrecht zu einer Zylinderachse der Rohrkathode 8 dargestellt. Im Inneren der Rohrkathode 8 ist ein Magnetsatz 7 angeordnet, der im gezeigten Beispiel drei parallele längliche Äste aufweist, die an einem gemeinsamen, hierzu senkrechten, Verbindungselement angeordnet sind. Dabei können beispielsweise die Äste abwechselnd als Nord- und Südpol wirken, so dass beispielsweise die beiden äußeren Äste Südpole und der mittlere Ast ein Nordpol sein kann oder anders herum. Zwischen den Ästen des Magnetsatzes 7 bilden sich Magnetfelder 4 aus, die die
Targetoberfläche 5 durchsetzen. Die Teilfigur A zeigt eine neue, nicht-erodierte Rohrkathode 8. Der Magnetsatz 7 hat von der Oberfläche 5 der Rohrkathode 8 einen bestimmten Abstand, so dass das Magnetfeld 4 an der Oberfläche 5 der Rohrkathode eine bestimmte Feldstärke aufweist.
Im Laufe des Sputterverfahrens erodiert nun die Ober- fläche 5 der Rohrkathode 8 und liegt nach einer Zeit als erodierte Oberfläche 6 vor, die vom Magnetsatz 7 einen geringeren Abstand hat als die nicht-erodierte Oberfläche 5. Erfindungsgemäß kann nun der Magnetsatz 7 in Richtung eines Radius der Rohrkathode 8 verschoben werden. Wird der Magnet satz 7 um einen Abstand von der Oberfläche der Rohrkathode 8 wegbewegt, der dem Abstand zwischen nicht-erodierter Oberfläche 5 und erodierter Oberfläche 6 entspricht, so durchset- zen die Magnetfelder 4 die erodierte Oberfläche 6 in gleicher Weise wie sie die nicht-erodierte Oberfläche 5 vor der Erosion des Targets durchsetzt haben. Da¬ durch verläuft der Sputterprozess unabhängig vom Erosionszustand der Kathode 8 stets in gleicher Weise. Der Magnetsatz 7 kann hierbei kontinuierlich oder stufenweise verfahren werden. Der Abstand zwischen der Kathodenoberfläche 6 und dem Magnetsatz 7 wird stets so nachgeführt, dass der Effekt des Erodierens des Targets 8 ausgeglichen wird. Insbesondere wird der Abstand so angepasst, dass eine Impedanz eines die Kathode 8 aufweisenden Stromkreises sich im Laufe des Erodierens des Targets 8 durch das Erodieren um weniger als einen vorbestimmten Wert ändert, der kleiner ist als eine Impedanzdifferenz zwischen der Impedanz bei nicht-erodiertem Target 8 und der Impedanz bei maximal erodiertem Target 8, wenn der Magnetsatz 7 nicht nachgeführt wird, also der Abstand des Magnetsatzes zur inneren Oberfläche der Kathode konstant gehalten wird.
Figur 5 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die aktuelle Position der erodierenden Targetoberfläche optisch bestimmt wird. Hierbei wird mittels eines optischen Messgerätes 9 ein optisches Signal 10 auf die
Targetoberfläche 5 gestrahlt und hieraus im Messgerät 9 die Position der Targetoberfläche 5 bestimmt. Über das Feedbacksignal der optischen Messung wird dann der Magnetsatz 7 im Inneren der Rohrkathode 8, beispielsweise über eine Feinregelung, entsprechend dem Materialabtrag (Targeterosion) radial zurückgezogen, so dass über die gesamte Betriebsdauer der Abstand des Magnetsatzes 7 zur Targetoberfläche 5, 6, die kontinuierlich abgetragen wird, konstant bleibt. Für alle nicht-magnetischen Targetmaterialien bleibt so- mit die Magnetfeldstärke sowie die Form des Magnetfeldes an der Oberfläche 5 konstant. Darüberhinaus kann der optische Sensor 9 Informationen liefern, wie groß die verbleibende Targetdicke ist und wann ein Targetwechsel erfolgen sollte. Der Magnetsatz 7 kann beispielsweise wie in Figur 4 gezeigt ausgestaltet sein .
Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer
Rohrkathodensputtervorrichtung . Abhängig vom verwendeten Pulsgenerator stellt sich bei vorgegebener Spannung/Leistung ein charakteristischer Stromverlauf 11 im Puls ein. Dabei können sich Leistung, Strom und Spannung als Eingangsgrößen von den Ausgangsgrößen unterscheiden. Regelgröße ist der Stromverlauf/Leis¬ tungsverlauf 11 an der Kathode 8. Dieser soll konstant gehalten werden. Der im Beispiel verwendete Regelmechanismus nutzt eine vorgegebene Parametereinstellung am Generator, die ein definiertes Pulssignal (Leistung bzw. Strom) erzeugt. Dieses Pulssignal wird konstant gehalten, indem bei Veränderung das Magnetfeld gegenüber der Kathode wie vorbeschrieben verfahren wird, also indem der Magnetsatz 7 radial verschoben wird. Der Pulsverlauf des Stroms/der Leistung kann beispielsweise mittels eines Oszilloskops 11 bestimmt werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Magnetron-Sputtern in einer
Sputtervorrichtung, die eine Kathode, ein Target, das an einer Oberfläche der Kathode ange¬ ordnet ist oder Teil dieser Oberfläche der Kathode ist, und einen auf einer dieser Oberfläche abgewandten Seite der Kathode angeordneten Magnetsatz aufweist, wobei während des Sputterns das Target auf einer erodierenden Oberfläche zumindest bereichsweise erodiert wird,
und wobei ein Abstand zwischen dem Magnetsatz und der erodierenden Oberfläche des Targets im Verlauf des Erodierens so nachgeführt wird, dass
eine Impedanz eines die Kathode umfassenden Stromkreises sich im Laufe des Erodierens durch das Erodieren nur um weniger als einen vorbe¬ stimmten Wert ändert, der kleiner ist als eine Impedanzdifferenz zwischen der Impedanz bei nicht-erodiertem Target und der Impedanz bei maximal erodiertem Target bei nicht nachgeführtem Abstand.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Magnetron-Sputtern ein gepulstes
Magnetron-Sputtern ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei die Kathode eine Rohrkathode ist, der Magnetsatz im Inneren der Rohrkathode angeordnet ist und der Magnetsatz zur Nachführung des Ab- Standes in Richtung eines Radius der Rohrkathode verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kathode eine planare Kathode ist, der Magnetsatz auf jener der erodierenden Oberfläche abgewandten Seite der Kathode angeordnet ist und der Magnetsatz zur Nachführung des Abstandes in Richtung senkrecht zur erodierenden Oberfläche verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Ladespannung einer Kapazität zum Erzeugen von Pulsen zum Pulssputtern vorgegeben wird, und ein durch den die Kathode umfassenden Strom¬ kreis fließender Spitzenstrom von Strompulsen bestimmt wird während die angelegte elektrische Leistung konstant gehalten wird, und der Abstand so nachgeführt wird, dass sich der Spitzenstrom durch das Erodieren im Laufe des Erodierens des Targets um weniger als einen vorbestimmten Wert ändert, der kleiner ist als eine Differenz zwi¬ schen dem Spitzenstrom bei nicht-erodiertem Target und dem Spitzenstrom bei maximal erodiertem Target bei nicht nachgeführtem Abstand.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand so nachgeführt wird, dass eine Brennspannung an der erodierenden Oberfläche sich bei fester angelegter elektrischer Leistung durch das Erodieren um weniger als einen vorgegebenen Wert ändert, der kleiner ist als eine Differenz zwischen der Brennspannung bei nicht erodiertem Target und der Brennspannung bei maximal erodiertem Target bei nicht nachgeführtem Abstand.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Abstand so nachgeführt wird, dass eine Pulsform von Leistung und/oder Strom bei fester Speisespannung und/oder fester elektrischer Speiseleistung im die Kathode umfassenden Stromkreis sich um weniger als einen vorbestimmten Betrag ändert, der kleiner ist als die Differenz zwischen der Pulsform bei nicht erodiertem Target und der Pulsform bei maximal erodiertem Target bei nicht nachgeführtem Abstand.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei der Abstand durch optische Messung der Position der erodierenden Targetoberfläche und/oder des Magnetsatzes bestimmt wird und der Magnetsatz in Richtung des Abstandes so verschoben wird, dass der Abstand sich durch das Erodieren um weniger als einen vorgegebenen Wert ändert, der geringer ist als eine Differenz zwischen dem Abstand bei nicht-erodiertem Target und dem Abstand bei maximal erodiertem Target, wenn der Abstand nicht nachgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ein Hochleistungs- Impuls-Magnetronsputterverfahren ist und wobei vorzugsweise eine Pulsdauer ^ 10 ms, bevorzugt ^ 1 ms, besonders bevorzugt 500 us ist, und eine Pulsspit 2en-Leistungsdichte ^ 50 W/cm2, bevorzugt i> 0,1 kW/cm2, besonders bevorzugt ^ 1 kW/cm2 ist oder eine Pulsspitzen-Stromdichte ä: 0,1 A/cm2, vorzugsweise ^ 0,2 A/cm2, besonders bevorzugt ä 0,5 A/cm2 ist.
10. Puls-Magnetron-Sputtervorrichtung mit
einer Kathode,
einem Target, das an einer Oberfläche der Katho- de angeordnet ist oder Teil dieser Oberfläche der Kathode ist,
und einem auf einer dieser Oberfläche abgewandten Seite der Kathode angeordneten Magnetsatz, wobei ein Abstand zwischen dem Magnetsatz und einer beim Sputtern erodierenden Oberfläche des Targets zum Ausgleich von Targeterosion, die durch einen Sputterprozess bewirkt wird, nachführbar ist.
Magnetron-Sputtervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mit der Puls-Magnetron- Sputtervorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführbar ist.
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