DE10058768C2

DE10058768C2 - Verfahren zum Zünden eines Plasmas

Info

Publication number: DE10058768C2
Application number: DE2000158768
Authority: DE
Inventors: Hans Ebinger; Max Kapeller; Wolfgang Becker
Original assignee: Singulus Technologies AG
Current assignee: Singulus Technologies AG
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2020-11-28
Also published as: DE10058768A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Plasmas durch eine elektrische Spannung zwischen einer Kathode und einer Anode in einem Magnetfeld. Das Verfah ren kann insbesondere bei einer Beschichtung im Vakuum mittels einer Magnetron- Kathodenzerstäubungsanlage zum Einsatz kommen. Bekannt ist es, ein Prozeßgas zum Beispiel für eine Kathodenzerstäubungsanlage bei einem konstanten Magnetfeld zu zünden. Für das Zünden eines Plasmas in konstantem Magnetfeld ist ein relativ ho her Prozesgasdruck erforderlich. Bei einem niedrigen Prozeßgasdruck, der die Homo genität der Beschichtung verbessert und die Standzeit der Masken erhöht, zündet nach dem bisherigen Verfahren ein HF-(Hochfrequenz-)Plasma nicht zuverlässig.

Aus der DE 43 10 941 A1 ist ein Verfahren zum Zünden eines Plasmas in einem Gasraum, durch eine elektrische Spannung zwischen einer Kathode und einer Anode in einem statischen und einem zeitvariablen Magnetfeld bekannt. Ferner ist es hieraus bekannt, dass die räumliche Verteilung von Niederspannungsentladungen durch Anlegen eines stationären und/oder zeitvariablen Magnetfeldes in der Behandlungskammer steuerbar ist.

Aus der DE 40 42 417 C2 ist ein Verfahren zum Zünden einer Plasmaentladung in einem elektrischen und magnetischen Feld bekannt, wobei nach dem Zünden des Plasmas das elektrische Feld deaktiviert wird.

Aus der DE 43 19 717 A1 und der DE 40 22 708 C2 ist bekannt, das Magnetfeld durch Elektromagneten zu variieren beziehungsweise zu bewegen. Aus der DE 196 54 000 C1 ist eine Kathodenzerstäubungsanlage bekannt, bei der durch eine elektrische Spannung zwischen einer Kathode und einer Anode in einem Magnetfeld ein Plasma erzeugt wird. Das Magnetfeld wird durch den Gasraum bewegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zündfähigkeit eines Plasmas in einem Magnetfeld zu erhöhen und einen gegenüber dem Stand der Technik niedrigeren Pro zeßgasdruck einzustellen.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von folgenden Grundgedanken aus.

In einem Gasraum, der das Plasma ausbilden soll, wird ein Magnetfeld bis zum Zünden des Plasmas mit einer hohen Frequenz, vorzugsweise 50 Hz hin- und herbewegt, so daß ein maximaler Bereich des Gasraumes nach Ionen abgesucht wird, die das Plasma zünden können. Bei einer rotationssymmetrischen Kathodenzerstäubungsanlage wird das Magnetfeld radial über die Targetoberfläche von innen nach außen und zurück hin- und hergeschaltet.

Mit der Erfindung lassen sich folgende Vorteile erreichen:
Zündprobleme in bestehenden Kathodenzerstäubungsanlagen werden beseitigt. Der Prozeßgasdruck, bis zu dem noch zuverlässig gezündet werden kann, kann stark, z. B. um den Faktor 2, gesenkt werden, wobei eine verbesserte Homogenität der Beschich tung und eine erhöhte Standzeit der Masken und des Targets erreicht wird. Das Verfah ren läßt sich ohne bauliche Veränderungen in einer Kathodenzerstäubungsanlage, die zum Beispiel in der DE-C1-196 54 000 beschrieben ist, anwenden, wobei die Steuerung der Elektromagneten für die Durchführung der homogenen Beschichtung auch zum Zünden des Plasmas verwendet werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipbild einer Kathodenzerstäubungsanlage im Querschnitt mit einge schaltetem Magnetfeld bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Stromversorgung von Elektromagneten beim Zünden und Aufrechterhalten eines Plasmas bei einer Kathodenzerstäubungsanlage mittels der Erfindung darstellt, und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Stromversorgung von Elektromagneten bei der Zün dung und Aufrechterhaltung eines Plasmas ohne die Erfindung zeigt.

Fig. 1 zeigt die rechte Hälfte eines Querschnitts einer Zerstäubungskathode 7 mit der Achse Z, einem Target 1, das als Kathode dient, einem Substrat 9, das zu beschichten ist, und einer Anode 2 mit Seitenwänden 2a und 2b, die einen Raum 4 für ein Prozeß gas einschließen, das zu einem Plasma gezündet werden soll. Oberhalb des Targets 1 sind erste und zweite Elektroringmagneten 5 bzw. 6 vorgesehen, die untereinander durch einen Eisenkern verbunden sind. Ein dritter Ringmagnet 8 steht mit einer ersten Jochplatte 11 und einer zweiten Jochplatte 12 mit jeweils daran angeordneten Polschu hen 13 in Verbindung. Der Ringmagnet 8 erzeugt ein Hauptmagnetfeld, das aus den Polschuhen in den Target- bzw. Prozeßgasraum austritt. Das Hauptmagnetfeld wird durch die ersten und zweiten Elektro-Ringmagneten 5 und 6 durch Verstärken oder Ab schwächen so beeinflußt, daß es im Prozeßgasraum 4 in Richtung des Doppelpfeils A hin- und herbewegt wird. Gleichzeitig wird eine Zündspannung zwischen der Anode 2 und der Kathode (Target) 1 zum Zünden eines Plasmas angelegt. Durch schnelles Hin- und Herschieben des Magnetfeldes, vorzugsweise mit einer Frequenz von 50 Hz, wird ein maximaler Bereich nach Gasionen, die im Prozeßgas statistisch verteilt enthalten sind, abgesucht, die das Plasma zünden können. Beim Verschieben des Magnetfeldes 3 im Prozeßgasraum 4 werden die Elektromagneten 5 und 6 kurzzeitig mit wechselnder Polarität mit Strom versorgt.

Ein entsprechendes Strom/Zeitdiagramm ist in Fig. 2 dargestellt. Vorzugsweise wird der Spulenstrom beginnend zum Zeitpunkt t₀ von +15 A auf -15 A mit einer Frequenz von 50 Hz geschaltet und so das Magnetfeld 3 mit der gleichen Frequenz durch den Pro zeßgasraum bewegt. Nach einer Zeit t₁ zündet das Plasma (P).

Danach wird die Kathodenzerstäubungsanlage in üblicher Weise zum Beschichten be trieben. Im Falle einer Kathodenzerstäubungsanlage mit variablem Magnetfeld während des Beschichtungsvorgangs wird gemäß Fig. 2 beispielsweise der Strom für die Spulen im Zeitraum von t₂ bis t₃ auf eine konstante Stromstärke (-15 A) eingestellt. Während dieser Stromrichtung wird das Target in den Außenbereichen zerstäubt. Danach wird die Stromrichtung geändert (+15 A) und das Plasma wird durch das Magnetfeld nach innen geschoben, und es erfolgt eine Zerstäubung des Innenbereichs des Targets in dem Zeitraum von t₃ bis t₄. Die Stromversorgung der Ringspulen 5 und 6 wird nach dem Abschalten des Plasmas noch bis zum Zeitpunkt t₅ aufrechterhalten und dann abge schaltet.

Fig. 3 zeigt die Stromversorgung der Ringspulen 5 und 6 im Falle einer Kathodenzer stäubungsanlage mit variablem Magnetfeld bei der Zündung und der Zerstäubung der Kathoden ohne das erfindungsgemäße Zündverfahren. In der Zeit t₀ bis t₂ werden die Ringspulen 5 und 6 mit einem konstanten Strom von -15 A versorgt. Zum Zeitpunkt t₁ zündet das Plasma und wird während des Zeitraums t₁ bis t₃ aufrechterhalten. Während der negativen Stromrichtung im Zeitraum von t₁ bis t₂ werden die Außenbereiche des Targets zerstäubt, und in dem Zeitraum von t₂ bis t₃ wird der Innenbereich des Targets zerstäubt. Für das Zünden des Plasmas ohne das erfindungsgemäße Zündverfahren müssen höhere Prozeßgasdrücke als beim Zünden mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren eingestellt werden. Es ist mindestens ein Gasdruck von 3 Pa erforderlich. Dem gegenüber läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Zündverfahren ein Prozeßgasdruck von 1-2 Pa, vorzugsweise 1,5 Pa, verwenden. Dadurch ergibt sich eine bessere Homo genität der Beschichtung und eine erhöhte Standzeit der Masken in der Kathodenzer stäubungsanlage.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Zünden eines Plasmas in einer Kathodenzerstäubungsanlage verwendet. Es kann aber auch bei anderen mit Plasma arbeitenden Vorrichtungen, in denen Prozeßgase mit niedrigem Druck eingesetzt wer den sollen, zum Einsatz kommen.

Claims

1. Verfahren zum Zünden eines Plasmas in einem Gasraum (4) einer Kathodenzerstäubungsanlage durch eine elektrische Spannung zwischen einer Kathode (1) und einer Anode (2) in einem Magnetfeld (3), wobei des Magnetfeld (3) bis zum Zünden des Plasmas durch den Gasraum (4)bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld (3) zwischen den Grenzen (2a bzw. 2b) des Gasraumes (4) hin- und herbewegt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Magnetfeld (3) mit einer Frequenz von 50 Hz bewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während des Zündungsvorgangs im dem Gasraum (4) ein Druck von 1-2 Pa, vorzugsweise 1,5 Pa, eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Magnetfeld (3) durch Elektromagneten (5, 6) variiert bzw. bewegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Elektromagneten (5, 6), die zum Zünden des Plasmas eingesetzt werden, auch beim Zerstäubungsprozeß benutzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Elektromagneten konzentrisch angeordnete erste und zweite Ringmagneten (5 bzw. 6) sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der elektrische Strom für die ersten und zweiten Ringmagneten (5 bzw. 6) zwischen +15 A und -15 A hin- und hergeschaltet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei durch einen dritten Ringmagneten (8) ein Hauptmagnetfeld erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei im dem ersten und im zweiten Ringmagneten (5 bzw. 6) ein Eisenkern (10) zum Verstärken des Magnetfeldes der ersten und zweiten Ringmagneten (5 bzw. 6) und zur Abschirmung gegen Kurzschlussfeldlinien des dritten Ringmagneten (8) angeordnet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der magnetische Fluss des dritten Ringmagneten (8) durch eine erste Jochplatte (11 bzw. 12) und Polschuhe (13) geleitet wird.

12. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Gasraum (4) durch ein Target (1), das als Kathode dient, Seitenwände (2), die als Anode dienen, und ein zu beschichtetes Substrat (9) begrenzt ist.