NL194867C

NL194867C - Sputterinrichting voor het op een dragerlichaam aanbrengen van elektrisch niet-geleidende lagen in een reactieve atmosfeer.

Info

Publication number: NL194867C
Application number: NL9401248A
Authority: NL
Inventors: Goetz Teschner; Juergen Bruch
Original assignee: Leybold Ag
Priority date: 1993-08-04
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2003-05-06
Also published as: DE4326100B4; DE4326100A1; NL194867B; FR2709376A1; JPH0778588A; JP3654931B2; CH689280A5; GB9414387D0; GB2280799B; NL9401248A; GB2280799A; FR2709376B1

Description

1 194867

Sputterinrichting voor het op een dragerlichaam aanbrengen van elektrisch niet-geleidende lagen in een reactieve atmosfeer

De uitvinding heeft betrekking op een sputterinrichting voor het op een dragerlichaam aanbrengen van 5 elektrisch niet-geleidende lagen in een reactieve atmosfeer, voorzien van een vacuümkamer met een inlaat voor een toe te voeren gas, van een in de vacuümkamer aangebracht elektrodenstelsel met twee sputter-kathoden, elk voorzien van een trefelektrode van een te sputteren materiaal voor de aan te brengen lagen van een middenfrequentiegenerator, die met de sputterkathoden is verbonden door middel van een tweedraadsleiding en van een inrichting voor de identificatie en onderdrukking van ongewenste lichtbogen.

10 Een dergelijke inrichting voor het op een dragerlichaam aanbrengen van lagen is bekend uit het Duitse Offenlegungsschrift DE-A-4.127.505.

Bij sputterinrichting kan tijdens bedrijf in aanwezigheid van een reactief gas doorslag optreden, waarbij lichtbogen met sterke ontladingsstromen ontstaan. Deze lichtbogen zijn schadelijk voor de trefelektroden en de aan te brengen lagen. De bekende sputterinrichting is voorzien van een tussen sputterkathoden 15 verbonden schakeling met twee anti-parallel geschakelde thyristors, die worden geactiveerd door de bij het tot stand komen van een lichtboog toenemende stroom en in de geactiveerde toestand stroom onttrekken aan de lichtboog, zodat de lichtboog wordt gedoofd.

De uitvinding beoogt te voorzien in een met groot vermogen te bedrijven sputterinrichting, die is voorzien van een door het bedieningspersoneel in te stellen inrichting voor de identificatie en onderdrukking van 20 lichtbogen.

Daartoe heeft een sputterinrichting van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding het kenmerk dat de inrichting voor de identificatie en onderdrukking van lichtbogen is voorzien van middelen om telkens een halve golf van het middenfrequentiesignaal van de middenfrequentiegenerator onder te verdelen in een groot aantal perioden, waarbij voor een vooraf bepaalde periode de elektrische waarde van de 25 stroom en de spanning voor het vormen van een werkelijke-waarde-signaal wordt vastgelegd en in een aardingsvrij meeteiland wordt ingevoerd, waartoe de spanning via een gecompenseerde symmetrische spanningsdeler, welke tussen de beide sputterkathoden is aangesloten en de stroom via een omvormer wordt bepaald, welke in de toevoerleiding van een sputterkathode is ingeslepen en waarbij het meeteiland als een station op afstand op een ringvormig netwerk is aangesloten, waarvan het hoofdstation zich in de 30 generator aanwezige besturingseenheid bevindt, waarbij de blokkering van de generator bij het optreden van een lichtboog via een verbindingsleiding geschiedt, welke het meeteiland met de generator verbindt, waartoe de parameters van de lichtboogbewaking en de meetwaardeopneming via het netwerk met behulp van programmatuur worden bepaald.

De bij de inrichting bij voorkeur toegepaste reactieve sputterprocessen tonen een hysteresebelaste 35 afhankelijkheid van de ontladingsspanning van een reactief gasbestanddeel. Vanwege de steil oplopende karakteristiek in het werkpunt neigen deze reeds bij geringe schommelingen van de procesparameters ertoe, in een andere toestand te kantelen, welke voor het proces echter niet geschikt is. Een stabiele besturing van het proces vereist onder andere, dat het, voor de MF-generator in de kathoden opgeslagen vermogen, constant is. Daarom is het noodzakelijk om als primaire signalen de spanning en de stroom aan 40 de kathoden te meten en daaruit door productvorming de werkelijke vermogenswaarde te bepalen. De bij de spanning aanwezige top is afhankelijk van het ontstekingsgedrag van de inrichting; welke bijvoorbeeld wordt beïnvloed door het soort gas en de gasdruk. Dit gebied is voor het eigenlijke sputterproces niet belangrijk, doch deze beïnvloedt echter in aanzienlijke mate de midden- respectievelijk de effectieve waarde van de spanning. Zou men van deze grootheden gebruik maken als maat voor de ontladingsspanning, dan zouden 45 de schommelingen bij het ontstekingsgedrag, bijvoorbeeld door drukinstabiliteiten, een verandering van de eigenlijke ontladingsspanning voorspiegelen. Deze wordt bepaald door het op de ontlaadpiek aansluitende signaalgebied (ontladingsgebied). Het voor de ontlading en daarmee voor het proces karakteristieke gebied, kan al naargelang de instelling van het proces ook andere grafiekvormen tonen, zodat het zinvol is, al naar het toegepaste proces, met verschillende periodes van de signalen voor de vorming van de werkelijke 50 waarde rekening te houden.

Voor de beoordeling en de vastlegging van bepaalde procestoestanden is het noodzakelijk het karakteristieke verloop van de signalen bijvoorbeeld met behulp van een schrijver vast te leggen. Daarbij dienen de signalen echter overeenkomstig te worden bewerkt, daar de gebruikelijke signalen van de schrijver in het overeenkomstige frequentiegebied (bijvoorbeeld 40 kHz) niet kunnen worden afgebeeld.

55 De gemeten stroom bevat door de capaciteit van de kathode zelf evenals door eventueel direct op de kathode aangebrachte condensatoren een reactieve component, welke door geschikte maatregelen dient te worden gecompenseerd.

194867 2

Bij het sputteren met een reactief gas treden overslagen van verschillende vorm op, welke gebruikelijk ' als lichtbogen worden aangeduid. Lichtbogen komen voor op de trefelektroden tussen gebieden, welke zijn bekleed met een isolerende laag, en gebieden, welke onbedekt metallisch zijn, als afvlakking van de lading treden kleine lichtflitsen op. Verder komt het tot kortsluitingen van de kathoden en/of de trefelektroden met 5 elkaar respectievelijk de kathoden en/of de trefelektroden met andere delen in de sputterinrichting. De lichtbogen kunnen het sputterproces verstoren en de oppervlakken van de trefelektroden beschadigen. De meeste van deze lichtbogen zijn energie-arm en doven zonder verder ingrijpen vanzelf. Er ontstaan echter ook energierijke lichtbogen, welke duurzaam blijven bestaan en, indien zij niet snel worden gedoofd, tot ernstige beschadigingen leiden, welke een verdere voortzetting van het proces onmogelijk maken. Om op 10 geschikte wijze op deze verschillende lichtbogen te kunnen reageren, is het noodzakelijk, werkwijzen voor een zekere identificatie te ontwikkelen, welke de snelle uitdoving van de duurzame lichtbogen mogelijk maken.

De middenfrequentie-gevoede dubbele kathode-in richting wordt in de regel om symmetrieredenen aardingsvrij aangesloten. De maximaal optredende spanningen tussen de beide kathoden, liggen in de 15 ordergrootte van 1...2kV. Het potentiaalverschil tussen de kathode en de aarde, licht in dezelfde orde-grootte.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin toont: figuur 1 de schematische opbouw van de inrichting; 20 figuur 2 de schematische weergave van de afhankelijkheid van de ontladingsspanning van het reactief gasbestanddeel en van het middenfrequentievermogen; figuur 3 een grafische voorstelling van de kathodespanning en van de kathodestroom tijdens normaal bedrijf; figuur 4 de schematische weergave van de kathodespanning en de kathodestroom en de opdeling in 25 afzonderlijke perioden; figuur 5 de schematische weergave van afzonderlijke lichtbogen (kathode tegen omgeving), waarbij de teller op 3 is ingesteld en het terugzetten van de teller na twee complete halve golven geschiedt; figuur 6 de weergave van de symmetrische lichtbogen (tussen beide kathoden), waarbij de teller op 3 is ingesteld en het terugzetten van de teller na twee complete halve golven geschiedt; 30 figuur 7 de weergave van de functiegroepen van de lichtboogbewakingsinrichting; figuur 8 de weergave van de analoge ingangen en de triggers overeenkomstig figuur 7; figuur 9 de weergave van de schakeling voor de synchronisatie en de impulsopwekking; figuur 10 de weergave van de schakelingen voor de lichtboogbewakingsinrichting overeenkomstig figuur 7; 35 figuur 11 de weergave van de analoog/digitaal-omzetter overeenkomstig figuur 7; en figuur 12 de weergave van de microprocessor overeenkomstig figuur 7.

Thans verwijzend naar de figuren, bestaat de sputterinrichting in hoofdzaak uit kamer 1 voor het aanbrengen van een laag met de vacuüm-pompaansluiting 2 en de gasinlaat 3 en uit de in de kamer aangebrachte 40 kathoden 4, 5 uit de bijbehorende trefelektroden of doelen 6, 7, uit het substraat 8, uit de met de coaxiale kabel 10 verbonden middenfrequentiegenerator 9 met besturing 11, uit de spanningsdeler 12, uit de stroomvormer 13 met compensatiewikkeling 20, de beide capaciteiten 14, 15, de lichtboogbewakingsinrichting of -schakeling 16 met isolatietransformator 21 en de lichtgolfgeleiders 17, 18, 19, welke de generator 9 respectievelijk de besturing 11 met de schakeling 16 verbinden. De schakeling 16 van haar kant 45 is in de figuren 7 tot 12 nader weergegeven en bestaat in hoofdzaak uit de analoog/digitaal-omzetter 23, de schakeling 24 voor synchronisatie en impulsopwekking, de schakeling 25 voor de lichtboogdetector logica, de microprocessor 26 en de schakeling 22 met analoge ingangen en trigger.

Figuur 2 toont een grafische voorstelling van de afhankelijkheid van de ontladingsspanning van het reactief gasbestanddeel en van het middenfrequentievermogen.

50 Figuur 3 toont een grafische voorstelling van de kathodespanning en van de kathodestroom tijdens normaal bedrijf zonder lichtbogen.

Een essentiële maatregel bestaat daarin, dat een halve golf van het middenfrequentiesignaal in bijvoorbeeld 10 perioden wordt onderverdeeld (zie figuur 4). Door geschikte keuze van een dergelijke periode en registreren van de op dat ogenblik aanwezige waarden van stroom en spanning, is het mogelijk 55 dat bijvoorbeeld voor een regeling aan het best geschikte signaalsegment en slechts dit, ter vorming van een werkelijke-waarde-signaal te bepalen. In figuur 4 is een dergelijke periode met R aangeduid. Voor beheersing van het optreden van een lichtboog of are kunnen de signalen in een andere, eventueel hiervoor 3 194867 beter geschikte deelperioden worden gecontroleerd (in figuur 4 met A aangeduid). Verder kunnen de signaalniveaus in de afzonderlijke perioden na elkaar, met een langzame frequentie worden afgetast (steekproef-proces) en zo een laagfrequentiesignaal wordt opgewekt, dat de karakteristieke grafiekvorm van het middenfrequentiesignaal heeft en op een gebruikelijke schrijver kan worden weergegeven (in figuur 4 5 met M aangeduid). De voor het rasteren van de halve golven benodigde signalen worden door de nuldoorgangen van het spanningssignaal gesynchroniseerd.

Een are is te detecteren doordat de spanning naar een lage waarde (de lichtboogspanning) daalt, waarbij tegelijkertijd de stroom op een hoog niveau blijft, respectievelijk nog toeneemt. De controle op een dergelijke toestand vindt in elke halve golf plaats, in een daartoe geschikte deelperiode, zoals reeds in de vorige 10 alinea is vermeld. Indien op het beschouwde tijdstip de waarde van de spanning onder een drempelwaarde Uarc ligt en de waarde van de stroom groter is dan een verdere drempelwaarde lNh, betreft het een arc-toestand. De arc-signalen worden geteld en wel door, tot aan drie gescheiden gebeurtenistellers, waarvan één alle, de volgende alle in de positieve halve golf, en de derde alle in de negatieve halve golf optredende arc’s telt. Op deze manier kan met de verschillende symmetrische en niet-symmetrische arc-’s 15 gescheiden analyseren. Indien deze tellers bepaalde, per keuzeschakelaar of door middel van de programmatuur van de SPS vooraf ingestelde tellerstanden bereiken, wordt een signaal opgewekt, dat voor een vastgelegde, per keuzeschakelaar of door middel van de programmatuur instelbare tijd de generator blokkeert. Daarna wordt de arc-bewaking voor een vastgelegde, per keuzeschakelaar of door middel van de programmatuur instelbare tijd onderdrukt, om foutieve reacties op grond van inschakelverschijnselen bij het 20 terugkerende vermogen te vermijden. Via een verdere teller, welke door iedere optredende are wordt teruggezet, wordt het aantal van elkaar opvolgende complete halve golven geteld, waarin geen arc-toestand wordt vastgesteld. Indien deze teller per keuzeschakelaar of door middel van de programmatuur een vooraf ingestelde stand bereikt, worden de eigenlijke arc-tellers teruggezet, daar er dan vanuit kan worden gegaan dat een vroeger opgetreden duurzame are is uitgedoofd. In de figuren 5 en 6 zijn enige voorbeelden voor de 25 arc-bewaking weergegeven, waarbij hier slechts van één enkele arc-teller, die alle optredende arc’s telt, werd uitgegaan.

De spanning wordt gemeten via een gecompenseerde symmetrische spanningsdeler 12, welke tussen de kathoden 4, 5 is aangesloten. De stroom wordt via een omvormer 13 bepaald, welke in de toevoerleiding van een kathode is ingeslepen. Ter compensatie van de relatieve stromen, door de direct aanwezige 30 capaciteiten 15, wordt een compensatiewikkeling 20 aangebracht, waardoor via de condensator 14 een capacitieve compensatiestroom in tegengestelde richting door de omvormer kan stromen.

De meting wordt op een aardingsvrij meeteiland 16 uitgevoerd, welke in de directe nabijheid van de kathoden 4, 5 is ondergebracht en op de gemiddelde kathodepotentiaal ligt. De signalen van en naar dit eiland worden via een lichtgolfgeleider (LWL) overgedragen. De spanningsvoorziening geschiedt via een 35 overeenkomende geïsoleerde transformator 21.

Het meeteiland 16 is als een station op afstand op een ringvormig netwerk 17, 18 aangesloten, waarvan het hoofdstation zich in de generator aanwezige besturing 11 (bijvoorbeeld SPS) bevindt. Via deze LWL-verbinding wordt de meetwaardeopneming gestuurd en de gegevens van het meeteiland aan de besturing overgedragen. De blokkering van de generator in het arc-geval, wordt via een afzonderlijke 40 LWL-verbinding 19 gerealiseerd, welke een snelle reactie mogelijk maakt.

Alle wezenlijke parameters van de arc-bewaking en van de meetwaardeopneming worden via het netwerk door middel van de programmatuur, bijvoorbeeld door een SPS bepaald.

Door deze inrichting worden slechts de relevante gedeelten binnen de middenfrequentie-halve-golf voor de procesbesturing en -stabilisering erbij gehaald. Dat betekent een aanzienlijk betrouwbare procesbestu-45 ring, dan bij de oplossingen, welke betrekking hebben op de gemiddelde respectievelijk effectieve waarden van de signalen. Door de opneming van de meetwaarden, direct aan de kathoden, worden signaal-vervormingen vermeden, de daarbij optredende isolatieproblemen zijn door de toepassing van LWL-trajecten opgelost. Door de besturing via een bi-directionele netwerkaansluiting kan de meetwaardeopneming buitengewoon flexibel worden uitgevoerd, daar de arc-bewaking en de meetwaardeopneming per program-50 matuur parametreerbaar zijn. Duurzame arc’s worden zeker geïdentificeerd en snel uitgedoofd.

Het uitgevoerde voorbeeld is gebaseerd op de in figuur 1 weergegeven inrichting. De middenfrequentie-generator heeft een frequentie van 40 kHz. De wezenlijke onderdelen zijn, het meeteiland MAM 16, dat door middel van een isolatietransformator 21 wordt gevoed en waarvan het werkelijke-waarde-signaal, de kathodestroom en de kathodespanning via de stroomomvormer 13 respectievelijk de spanningsdeler 12 55 worden toegevoerd, een compensatieschakeling 14 en 20 evenals de LWL-verbindingen 17, 18 en 19, welke het meeteiland met de MF-generator 9 en de aanwezige SPS 11 verbinden.

Figuur 7 toont een overzicht van de verschillende functiegroepen van het paneel MAM, respectievelijk het

Claims

194867 4 meeteiland 16, waarbij de aan de voeding van de kathode onttrokken meetwaarden lk en Uk in de ingangsschakeling 22 binnenstromen, waarvan de bewerkte signalen dan via de schakelingen 23, 24, 25 naar de microprocessor 26 en daarvan naar de generator 9 stromen. In de figuren 8 tot 12 zijn de afzonderlijke schakelingsonderdelen uitvoeriger weergegeven, waarbij de stromingsrichting door pijlen wordt 5 aangeduid. Lijst van de afzonderlijke onderdelen. 1. vacuümkamer 2. vacuüm-pompaansluiting 3. procesgasinlaat 4. kathode 5. kathode 6. doel 7. doel 8. substraat 9. middenfrequentiegenerator 10. coaxiaalkabel, tweedraadsleiding 11. besturing (geheugen-programmeerbare besturing) 12. symmetrische spanningsdeler 20 13. stroomomvormer 14. condensator, compensatieschakeling 15. capaciteit 16. meeteiland, lichtboogbewakingsinrichting 17. lichtgolfgeleider 25 18. lichtgolfgeleider 19. lichtgolfgeleider 20. compensatiewikkeling 21. isolatietransformator 22. schakeling voor de analoge ingangen en trigger 30 23. A/D-omzetter (analoog/digitaal-omzetter) 24. schakeling voor de synchronisatie en impulsopwekking 25. lichtboogbewakingsschakeling 26. microprocessor 27. verschil-ingangsversterker 35 28. ingangsversterker 29. spanningsvergelijker 30. spanningsvergelijker 31. spanningsvergelijker 32. somvormer 40 33. somvormer

1. Sputterinrichting voor het op een dragerlichaam aanbrengen van elektrisch niet-geleidende lagen in een reactieve atmosfeer, voorzien van een vacuümkamer met een inlaat voor een toe te voeren gas, van een in de vacuümkamer aangebracht elektrodenstelsel met twee sputterkathoden, elk voorzien van een tref-elektrode van een te sputteren materiaal voor de aan te brengen lagen van een middenfrequentiegenerator, die met de sputterkathoden is verbonden door middel van een tweedraadsleiding en van een inrichting voor 50 de identificatie en onderdrukking van ongewenste lichtbogen is voorzien van middelen om telkens een halve golf van het middenfrequentiesignaal van de middenfrequentiegenerator onder te verdelen in een groot aantal perioden, waarbij voor een vooraf bepaalde periode de elektrische waarde van de stroom en de spanning voor het vormen van een werkelijke-waarde-signaal wordt vastgelegd en in een aardingsvrij meeteiland wordt ingevoerd, waartoe de spanning via een gecompenseerde symmetrische spanningsdeler, 55 welke tussen de beide sputterkathoden is aangesloten en de stroom via een omvormer wordt bepaald, welke in de toevoerleiding van een sputterkathode is ingeslepen en waarbij het meeteiland als een station op afstand op een ringvormig netwerk is aangesloten, waarvan het hoofdstation zich in de generator 5 194867 aanwezige besturingseenheid bevindt, waarbij de blokkering van de generator bij het optreden van een lichtboog via een verbindingsleiding geschiedt, welke het meeteiland met de generator verbindt, waartoe de parameters van de lichtboogbewaking en de meetwaardeopneming via het netwerk met behulp van programmatuur worden bepaald.

2. Sputterinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ter compensatie van de reactieve stromen door de direct op de kathoden aanwezige capaciteiten een compensatiewikkeling aan de stroomomvormer is aangebracht. Hierbij 11 bladen tekening