控制反应性高功率脉冲磁控管溅射工艺的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及反应性高功率脉冲溅射工艺的控制。提供了一种用于控制所述工艺的方法，在所述方法中测量受控参数并且基于所测量的受控参数来改变可调节参数，从而将受控参数调节至预定的设定值，其特征在于，通过放电的脉冲频率变化来改变作为可调节参数的放电功率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制反应性高功率脉冲磁控管溅射工艺的方法及其装置 本专利技术涉及控制反应性高功率磁控管溅射工艺的方法及其所用装置。所述方法可以使反应性溅射工艺稳定，以便可以在基底上沉积具有 期望的形态和相组成的层。等离子体溅射是用于特别是用陶瓷或其它多组分功能层涂敷基底 的成熟工艺。反应性溅射工艺由此基于在反应性气体气氛中金属靶的溅 射，以便在基底上沉积包含靶材料和工艺气体的一种或多种组分的化合 物。然而，由于反应性气体分压不能持续不断改变，引起了反应性溅射工艺中的主要问题。参数范围因此区分为下面定义的区域具有高反应 性气体分压、完全被反应产物覆盖的乾表面以及基底上化学计量层的化合物模式(mode)区域，和具有在溅射室内低反应性气体分压、 很大程度上为金属的靶表面以及基底上金属层的生长的金属形式区 域。这些区域之间通常不可能有稳定的过渡。而是导致不稳定的工艺状 态，下面概述了这种状态的产生。在此采用反应性气体02来举例说明， 但是所列举的机理同样适用于在N2、 CHx等气体中的溅射。在磁控管'减射的初始，向溅射室内添加反应性气体。接着在粑表面 上进行竟争性的生长工艺和蚀刻工艺。在低02分压下，氧化物覆盖的 生长速率低，使得蚀刻工艺由于氧化物层的溅射移除而占优势。靶表面 因此总的来说保持金属性。这种状态是稳定的，因为靶作为有效的吸气 剂泵来运行，它的有效抽吸能力通常是实际用来抽真空的涡轮泵的抽吸 能力的多倍。如果升高反应性气体分压，则氧化物层以在某种程度上较高速率在 靶表面上生长。在低的离子流密度和因此低的蚀刻速率下，则生长过程 占优势。以这种方式产生覆盖有反应产物的靶区域，也被称作污染靶 区域。与金属相比，所述污染靶区域始终具有较低的溅射产率，使得总体 上溅射了较少的靶材料。这导致靶上材料移除减少、乾抽吸能力的降低 和因此反应性气体分压继续升高。只要反应性气体分压超过临界值，则产生自增强效应，这是因为反 应性气体分压的增加导致靶-吸气剂泵的抽吸能力降低，这反过来又引 起反应性气体分压的升高。这种不稳定性标志着从金属模式向化合物模 式的过渡。目前技术上最感兴趣的是这两种状态之间不稳定的过渡的稳定化， 因为一方面由低的溅射产率造成化合物模式的生长速率非常低，另 一方 面，化合物模式的层在反应气体过量下生长，由此导致不利的层性质。 因此，在过渡区域，不仅以高于化合物模式的速率沉积化学计量层，而且实现了在其它区域不能实现的层性质。以Al掺杂的氧化锌的沉积 作用作为实例只在过渡区域沉积材料时既具有光学透明性也具有高导 电性。另一方面，金属模式的反应性气体分压一般来说太低，使得吸收 性亚化学计量化合物生长。然而，在工艺正好在也被称为过渡模式不稳定的过渡区域运行 时，可以以高速率沉积期望的化学计量层。这种不稳定的过渡状态过 渡模式可以通过控制回路(Regelkreise )来稳定化，所述控制回路考 虑到了源的动力学行为并且可以维持技术上令人感兴趣的不稳定工作在两种沉积方式(化合物模式和金属模式)之间因此不可能有稳定 的过渡并且不存在用于稳定平均反应性气体分压的稳定工作点。为了能 够在技术上令人感兴趣的过渡区域运行所述工艺，需要主动的控制体系 (主动工艺控制)，利用所述控制体系，根据测量的工艺参数(受控参 数)的标准来不间断地适应性调节外部可调节参数。已知的是，为了稳 定所述工艺，根据初始工艺参数(例如反应性气体组分的分压或等离子 体发射)的标准来适应性调节放电电参数靶电压或靶电流。因此，在这 种情况下，使用放电电参数阴极电压或阴极电流作为可调节参数。还已 知的是，使用反应性气体流自身作为可调节参数。两种体系都具有广泛 的应用。5对于所测量的工艺参数也可以有不同的技术方案。反应性气体分压可以利用质谱仪直接测量，在氧的情况下还利用氧传感器(X-Sonde)。 腔室内的总压可以作为输入变量。其它的可能性是测量等离子体的光发 射。最后，测量不同材料的阴极电压是适合的技术方案。在利用交变场 运行的等离子体中，对放电的电压信号和电流信号进行傅立叶变换分析 可实现该目的。因此，例如利用光发射分光仪可以记录等离子体中金属 原子的发射；改变反应性气体流，以便校正发射强度相对于设定值的偏 差。在另一个实例中，在金属氧化物的沉积工艺中利用氧传感器观察氧 分压；在偏离设定值时，使发生器的放电功率进行适应性调节。磁控管溅射是用于在区别很大的基底上沉积高质量的层的已知的、 大规模工业性的、可容易转换的方法。所述方法尤其适用于沉积陶瓷或 其它多组分层。磁控管溅射的相对新的变型是所谓的高功率脉冲磁控管溅射 (HPPMS或HIPIMS ),见D. J. Christie, Journal of Vacuum Science and Technology A 23 (2005)， 330页至335页和Kouznetsov， V. ; Macak, K. ; Schneider, J. M. ; Helmersson, U. ; Petrov, I. : A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities in: Surface and Coatings Technology 122 (1999), 2卯画3页。在此工艺中， 等离子体通过高功率密度的单个脉冲来激发。等离子体自身通过电容器 组的周期性放电产生。这涉及脉冲工艺，其中靶上的功率密度达到DC 运行时常规值的约30至100倍。功率密度远远大于1 kW/cm2是可能的。 在这种条件下，磁控管放电在过渡到电弧放电下运行。因此，引起所溅 射靶材料的电离的增加。对于金属的溅射，与传统运行中小于1%的值 相比，电离度已经达到大于80% (D. J. Christie等人，48th SVC Proceedings (2005))。从现有技术已知利用HPPMS进行反应性溅射的不同工作。在使用 主动控制时，反应性气体流总是用作稳定过渡区域中放电的可调节参数 (例如见D. A. Glocker等人，47th SVC Proceedings (2004)， 183页和 W. D. Sproul等人，47th SVC Proceedings (2004), 96页)。气体流控制在 此有它的优点，即可以利用已经存在的硬件，而不必编写新的软件(还 不必建立新的控制，而是使用具有功能气体流控制的装置)。然而通过改变反应性气体流来调节工作点的主要缺点是相对低的控制速度 一般 来说气体流的适应性调节只有在工艺中短的延迟的情况下才可以察觉。 此外，快速气体流控制所需的装置，例如适合的气体分配器和质量流控 制器很昂贵。本专利技术的目的因此在于提供用于稳定高功率脉冲溅射时的反应性 工艺的方法和装置，利用它们可以以简便、快速和不复杂的形式和方法 来稳定工作点并且不改变工艺特性。本专利技术技术方案的基本思想是，在高功率脉冲溅射时通过控制回路 (Regelungsschldfe )来适当地(如下面所述)调整放电功率，代替现 有技术中使用反应性气体流作为可调节参数来使放电稳定化。因此，基本的问题是，在改变单个放电脉冲内功率密度时，工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制反应性高功率脉冲溅射工艺的方法，在所述方法中测量受控参数并且基于所测量的受控参数来改变可调节参数，从而将受控参数调节到预定的设定值，　所述方法的特征在于，通过在保持单个放电脉冲形式的条件下改变放电的脉冲频率来改变作为可调节 参数的放电功率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2006-6-20 102006028303.1;DE 2006-12-22 102006061. 一种用于控制反应性高功率脉冲溅射工艺的方法，在所述方法中测量受控参数并且基于所测量的受控参数来改变可调节参数，从而将受控参数调节到预定的设定值，所述方法的特征在于，通过在保持单个放电脉冲形式的条件下改变放电的脉冲频率来改变作为可调节参数的放电功率。2. 根据前述权利要求的方法，其特征在于，通过对于受控参数的 多个设定值分别确定并贮存可调节参数的待调整值，记录和贮存设定值 -工艺曲线并且基于设定值-工艺曲线将受控参数调整到预定的设定值。3. 根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，选择预定的 设定值，使得所述反应性高功率脉冲溅射工艺在不稳定的过渡区域中稳 定化。4. 根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，使用反应性 气体分压、靶电流、靶电压、等离子体的光发射、溅射室内的总压力或 者由放电的电压信号和/或电流信号的谐波分析得出的受控参数作为受 控参数。5. 根据前述权利要求中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗洛里安鲁斯克，福尔克尔西特英格，贝恩德希什卡，
申请(专利权)人：弗兰霍菲尔运输应用研究公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]