DE4239218A1 - Anordnung zur Vermeidung von Überschlägen in Plasmakammern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Beschichten oder Ätzen von Substraten sind zahlreiche Verfahren bekannt. Ein häufig zum Einsatz kommendes Verfahren besteht darin, daß aus einem Plasma heraus geladene Teilchen mittels einer elektrischen Spannung auf das Substrat hin beschleunigt werden, wo sie sich entweder niederschlagen oder Teilchen herausschlagen.

Werden die Substrate mit Hilfe des sogenannten Kathodenzerstäubungs-Verfahrens be­ schichtet, bei dem an einer Kathode ein zu zerstäubendes Material angebracht ist, so tre­ ten insbesondere dann Überschlagsprobleme auf, wenn es sich um eine reaktive Be­ schichtung handelt. Bei der reaktiven Beschichtung reagieren die aus dem Elektroden­ material, dem sogenannten Target, herausgeschlagenen Teilchen mit Gasen oder ande­ ren im Plasmaraum befindlichen Stoffen. Auf dem Substrat schlägt sich dann nicht das Targetmaterial selbst, sondern das Reaktionsprodukt nieder.

Haben die zerstäubten Materialien eine hohe Affinität zu dem Reaktivstoff, mit dem sie reagieren, so besteht das Problem, daß neben dem Substrat selbst auch Teile der Be­ schichtungsanlage, z. B. die Innenwand der Prozeßkammer oder Teile von Blenden mit dem Reaktionsprodukt beschichtet werden. Ist das Reaktionsprodukt ein elektrischer Nichtleiter, z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ oder ZnO, so kommt es oft zu gefährlichen elektrischen Entladungen, dem sogenannten Arcing.

Dies ist u. a. dadurch bedingt, daß sich die elektrischen Nichtleiter auch auf der Kathode ablagern und dort Potentialsprünge verursachen.

Arcing verursacht ein unkontrolliertes Abplatzen oder Verdampfen von Targetmaterial und/oder Reaktionsprodukten vom Target und kann zu Beschädigungen des Targets selbst als auch zu erheblichen Qualitätseinbußen des abzuscheidenden Schichtmaterials durch sogenannte "Pinhole"-Bildung führen.

Es ist bereits eine Gleichstromversorgung für Kathodenzerstäubungsanlagen bekannt, die einen eingeprägten Gleichstrom liefert (DE-A 35 38 494). Hierbei ist einer Gleich­ stromquelle ein Eingangstiefsetzsteller nachgeschaltet, dessen beide Ausgangsklemmen über einen Kurzschlußschalter überbrückt sind.

Bei einer anderen bekannten Gleichstromversorgung wird beim Auftreten eines Über­ schlags im Plasma der Entladungsbogen unterdrückt und das Plasma anschließend wie­ der regeneriert (FR-A-2 648 001). Dies geschieht durch Beaufschlagung der Elektroden mit Impulsen, die von einem Hochfrequenzgenerator erzeugt werden, der seinerseits von einem Meßkreis gesteuert wird, der eine Steuer-Stromstärke mißt und regelt.

Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, mit dem die bei einem Überschlag auftretende nie­ drige Impedanz wieder auf einen normalen Wert gebracht werden kann (US-A-4 936 960). Bei diesem Verfahren wird bei Auftreten eines Überschlags die Leistungszufuhr zunächst durch eine Vorspannung unterbrochen und anschließend wieder progressiv zu­ geführt.

Desweiteren ist eine Stromversorgung für eine Glimmentladungskammer bekannt, die ein Kurzschlußelement parallel zu einem Gleichrichter aufweist und bei der ein Thyris­ tor vorgesehen ist, der die Sekundärwicklung eines Transformators teilweise kurz­ schließt, wenn in der Kammer eine Entladung auftritt (GB-A-2 045 553).

Schließlich wurde auch noch ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats vorge­ schlagen, bei dem die Kathode eines Magnetrons periodisch für kurze Zeitspannen auf positives Potential gelegt wird, wobei die Frequenz des periodischen Umpolens in Ab­ hängigkeit von der abzuscheidenden Schicht einstellbar ist (P 42 02 425.0). Nachteilig ist hierbei, daß mehrere Schalter vorgesehen werden müssen, um die Kathoden-Anode- Strecke stromfrei zu schalten und umzupolen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überschläge bei der vorstehend erwähn­ ten Anlage zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß durch eine künst­ liche externe Entladung einer natürlichen internen Entladung vorgebeugt wird. Hierzu ist nur ein einziger Schalter in Verbindung mit einem Umschwingkreis erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Anzahl von Überschlägen bei herkömmli­ chen Sputteranlagen in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Blockschaltbild-Anordnung zum Erzeugen von Kurzschlüssen;

Fig. 3 eine weitere Anordnung zur Erzeugung von Kurzschlüssen, die konkrete Bauelemente aufweist;

Fig. 4a eine graphische Darstellung der Anzahl von Überschlägen in Sputteranlagen beim Einsatz der Anordnung nach den Fig. 2 und 3;

Fig. 4b die Zahl der Auslöseimpulse über der Zeit.

In der Fig. 1 ist der Kurvenverlauf dargestellt, der sich ergibt, wenn man die Anzahl der Überschläge in einer herkömmlichen Sputteranlage über der Zeit aufträgt. Man erkennt hierbei, daß bis zu einer bestimmten Zeit t₁ nur einige wenige Überschläge in unregel­ mäßigen zeitlichen Abständen stattfinden. Vom Zeitpunkt t₁ an nehmen die Überschlä­ ge sehr stark zu, so daß zum Zeitpunkt t₂ der Sputtervorgang erheblich gestört ist. In der Zeit t₃-t₂ erfolgt deshalb das sogenannte Freisputtern, bei dem Reaktivgaszufuhr für einen bestimmten Zeitraum unterbrochen wird. Hierdurch lösen sich die elektrisch nichtleitenden Teilchen von der Kathode, so daß diese wieder betriebsfähig wird.

Der Vorgang des Freisputterns, der den Produktionsprozeß unterbricht, kann indessen entfallen, wenn eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 zum Einsatz kommt.

In dieser Figur ist ein Substrat 1 dargestellt, das mit einer dünnen Schicht 2 aus einem Oxid, z. B. Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid, versehen werden soll. Diesem Substrat 1 liegt ein Target 3 gegenüber, das zu zerstäuben ist. Das Target 3 steht über eine Platte 4 mit einer Elektrode 5 in Verbindung, die auf einem Joch 6 ruht, das zwischen sich und der Platte 4 Magnete 7, 8, 9 einschließt.

Die auf das Target 3 gerichteten Polaritäten der Pole der Magnete 7, 8, 9 wechseln sich ab, so daß jeweils die Pole der beiden äußeren Magnete 7, 9 mit den Polen des innenlie­ genden Magneten 8 etwa kreisbogenförmige Magnetfelder durch das Target bewirken. Diese Magnetfelder verdichten das Plasma vor dem Target 3, so daß es dort, wo die Magnetfelder das Maximum ihrer Kreisbögen aufweisen, seine größte Dichte hat.

Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das sich aufgrund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleichstromquelle 10 abgegeben wird. Die­ se Gleichstromquelle 10 ist mit ihrem negativen Pol über eine Leitung 28 mit der als Kathode wirkenden Elektrode 5 und mit ihrem positiven Pol über eine Leitung 40 mit einer Anode 44 verbunden. Das elektrische Feld steht senkrecht auf der Oberfläche des Targets 3 und beschleunigt die positiven Ionen des Plasmas in Richtung auf dieses Target. Hierdurch werden Partikel aus dem Target 3 herausgeschlagen, und zwar insbe­ sondere zwischen den Magneten 7, 8 bzw. 8, 9, so daß sich dort Erosionsgräben 13, 14 bilden. Die zerstäubten Partikel des Targets 3 wandern vorwiegend in Richtung auf das Substrat, wo sie sich als dünne Schicht 2 niederschlagen.

Beim reaktiven Sputtern bilden die Teilchen mit einem Reaktivgas eine Verbindung, die sich auf dem Substrat 1 niederschlägt.

Beispielsweise kann über einen Sauerstoffbehälter 16 und ein Ventil 18 über eine Leitung 23 Sauerstoff als Reaktivgas in den Plasmaraum geführt werden, der sich mit dem abgesputterten Silizium oder Aluminium des Targets 3 zu Siliziumoxid oder Alu­ miniumoxid verbindet, was sich hierauf auf dem Substrat 1 niederschlägt.

Aus einem Argonbehälter 17 und über ein Ventil 19 und eine Leitung 22 kann Argon in eine Prozeßkammer 15a gelangen, wo es ionisiert wird und die für den Sputterprozeß notwendigen Ionen liefert. Da Argon selbst keine chemischen Verbindungen eingeht, stört es den Aufbau von Oxiden nicht.

Die eigentliche Prozeßkammer 15a ist von einem Gehäuse 25 umgeben, auf dem die Elektrode 5 ruht.

Zwischen der Wandung 24 der Prozeßkammer 15 und der Anode 44 ist ein Detektor 34 angeordnet, der die zwischen Target 3 und Anode 44 stattfindenden Überschläge er­ kennt. Jeden erkannten Überschlag meldet er an eine Auswerteschaltung 35, welche z. B. die Anzahl der Überschläge zählt. Ist eine bestimmte Anzahl von Überschlägen er­ reicht, so betätigt die Auswerteschaltung einen Schalter 36, mit dem ein elektrischer Energiespeicher 37 zugeschaltet ist. Dieser Energiespeicher 37 ist umgekehrt gepolt wie die eigentliche Stromversorgung 10. Das negative Potential dieses Energiespeichers 37 ist größer als das positive Potential der Stromversorgung 10, so daß sich das Potential der Kathode 5 umkehrt. Entsprechendes gilt für das Potential der Anode 44.

Durch die sich zwischen Anode 44 und Kathode 4 ergebende Spannungsumkehr findet eine Entladung der Isolierschichten auf der Kathode statt.

Durch Öffnen und Schließen des Schalters 36 können Impulsspannungen auf die Katho­ de 5 gegeben werden. Die Häufigkeit dieser Impulse kann fest vorgegeben oder nach Bedarf variabel einstellbar sein. Bei einer einstellbaren Impulsfrequenz kann z. B. die Auswerteschaltung 35 nach einer bestimmten Zeit T₂ nach Auftreten eines Überschlags einen Impuls über den Schalter 36 ausgeben, um den nächsten Überschlag zu verhin­ dern. Mit dieser Frequenz f = 1/T₂ der Entladepulse wird dann der Betrieb fortgesetzt. Tritt nach dem n-ten Entladepuls ein Arc auf, so wird die Frequenz der Pulse entspre­ chend höher gesetzt Treten für eine gewisse Zeit keine Überschläge auf, so kann die Frequenz wieder allmählich herabgesetzt werden, bis irgendwann ein neuer Überschlag erfolgt, worauf der Betrieb mit leicht erhöhter Frequenz fortgeführt wird.

Die Frequenz der Entladepulse paßt sich auf diese Weise stets dem momentanen Zu­ stand der Kathode an und ist somit eine Anzeigegröße für diesen Zustand.

Beim Wiederanfahren eines Sputterprozesses wird zweckmäßigerweise mit der zuletzt ermittelten Frequenz gestartet. Danach wird der oben geschilderte Suchvorgang für die optimale Frequenz der Entladepulse fortgesetzt.

In der Fig. 3 ist eine Anordnung mit konkreten Bauelementen dargestellt, die bezüglich ihrer Funktionsweise der Anordnung gemäß Fig. 2 entspricht. Diejenigen Bauteile, die in beiden Anordnungen identisch sind, sind mit denselben Bezugszahlen versehen.

Die allgemeine Stromversorgung ist mit 50 bezeichnet und mit ihrem positiven Ausgang über eine Drossel 51 mit der Anode 44 verbunden. Ein Kondensator 52 und ein mit die­ sem in Reihe geschalteter Widerstand 53 liegen einerseits ebenfalls an der Anode und andererseits an Masse. Der negative Ausgang der Stromversorgung 50 ist über eine In­ duktivität 54 mit der Kathode 11 verbunden, wobei an dieser Kathode auch noch ein Kondensator 55 mit seinem einen Anschluß liegt, während sein anderer Anschluß mit der Verbindungsleitung zwischen Stromversorgung 50 und Induktivität 51 verbunden ist. Ebenfalls an die Kathode 11 angeschlossen ist ein Schaltelement, z. B. ein Thyristor 56, der von der Auswerteschaltung 35 gesteuert wird. Die Anode dieses Thyristors 56 ist mit der Anode 44 verbunden.

Der Sensor 34 erfaßt die auftretenden Überschläge zwischen der Anode 44 und dem Target 3 und meldet diese an die Auswerteschaltung 35. Diese schaltet dann, wenn be­ stimmte vorgegebene Kriterien bezüglich der Anzahl und/oder Häufigkeit der Über­ schläge erfüllt sind, den Thyristor 56 ein und nach einer vorgegebenen Zeit wieder ab. Durch das Einschalten des Thyristors 56 wird zwischen der Anode 44 und dem positi­ ven Ausgang der Stromversorgung 50 einerseits sowie zwischen der Anode 44 und dem negativen Ausgang der Stromversorgung 50 andererseits über den Kondensator 55 bzw. die Induktivität 54 eine Verbindung hergestellt. Im ersten Einschaltmoment liegt das negative Potential des Kondensators 55 an der Anode 44. Mit einer gewissen Verzöge­ rung gelangt sodann auch das negative Potential der Stromversorgung 50 über die Induktivität 54 an die Anode 44. Hierdurch wird eine Polaritätsumkehr zwischen Ka­ thode 5 und Anode 44 bewirkt, was zu einer kurzzeitigen Entladung der Isolierschichten auf der Kathode führt.

Die Drossel 54 wirkt im Falle eines Kurzschlusses als Energiespeicher, während der Kondensator 55 und die Drossel 51 als Energiespeicher für die Umpolung dienen. Die Zeitkonstante der Drossel 54 beträgt einige Millisekunden, wohingegen die Zeit­ konstante von Kondensator 55 und Drossel 51 bei einigen Mikrosekunden liegt.

Durch die Bauelemente 52 und 53 ist ein floatender Betrieb der Sputterstromversorgung möglich. Wird die Anode geerdet, können die Elemente 52, 53 entfallen.

Während in der Fig. 2 das Prinzipschaltbild dargestellt ist, zeigt die Fig. 3 einen Aufbau mit konkreten Bauelementen. Es versteht sich, daß die Auswerteschaltung 35 auch digi­ tal oder mittels eines Mikroprozessors aufgebaut werden kann.

Mit den Schaltungsanordnungen gemaß den Fig. 2 und 3 wird die Zahl der Überschläge auf ein Minimum herabgedrückt. Eine entsprechende graphische Darstellung findet sich in der Fig. 4a. In der Fig. 4b sind die zugehörigen Auslöseimpulse dargestellt.

Durch die Verringerung der Anzahl der Überschläge wird die Kathodenstandzeit verlän­ gert. Damit jedoch nicht zuviel Energie für die künstlich erzeugten Überschläge ver­ braucht wird, werden nicht einfach in sehr kurzen Abständen solche Überschläge veran­ laßt, sondern es findet eine Optimierung der Häufigkeit der Überschläge statt.

Claims (11)

1. Anordnung zum Verhindern von Überschlägen in einem Prozeßraum, in dem Substra­ te geätzt oder beschichtet werden und in dem eine Anode und eine Kathode vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (44) und die Kathode (11) außerhalb des Prozeßraums (15a) über einen Schalter (36, 56) miteinander verbindbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (36, 56) ein steuerbarer Schalter ist, der in vorgegebenen zeitlichen Abständen geöffnet und ge­ schlossen wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (36) eine Hilfsversorgung, z. B. einen elektrischen Energiespeicher (37), schaltet, der die Polarität zwischen Kathode (11) und Anode (44) umpolt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Thyristor (56) ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßraum (15a) eine Sputtervorrichtung (3, 4) enthält.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputtervorrichtung (3, 4) ein Magnetron (7, 8, 9) enthält.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Abstände des Schließens des Schalters (36, 56) von der Häufigkeit der im Prozeßraum (15a) auf­ tretenden Überschläge abhängen.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstromversor­ gung (50) vorgesehen ist, deren negativer Anschluß über eine Induktivität (54) mit der Kathode (11) und deren positiver Anschluß mit der Anode (44) verbunden ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Verbindungslei­ tung zwischen der Induktivität (54) und der Kathode (11) eine Reihenschaltung aus Kondensator (55) und Induktivität (51) angeschlossen ist, die an der Anode (44) liegt.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Prozeßraum (15a) in einer geerdeten Kammer (25) aus elektrisch leitendem Material befindet.

11. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputtervorrichtung eine Vorrichtung zum reaktiven Sputtern ist, wobei ein Reaktivgas und ein neutrales Gas aus Behältern (16, 17) in den Prozeßraum (15a) gegeben werden.