DE102004024980A1

DE102004024980A1 - Reactive coating unit comprises a work chamber with at least one magnetron, a primary measurement unit and a control circuit

Info

Publication number: DE102004024980A1
Application number: DE200410024980
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Krause; Ullrich Dr. Hartung; Carsten Peters; Ilka Krause; Torsten Dr. Kopte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-08

Abstract

An arrangement for the reactive coating of objects (2) using the magnetron principle, comprises a work chamber (1) with at least one magnetron (3), a primary measurement unit (4) for determining the intensity of an optical plasma emission in the work chamber, and a control circuit. The reactive gas flow can be controlled by using an outer control circuit with a second control unit (9), to alter the gas partial pressure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum reaktiven Beschichten von Objekten mittels einer Zerstäubungseinrichtung nach dem Magnetronprinzip. Besonders geeignet sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, wenn auf mehreren Objekten Schichten mit identischer Stöchiometrie jedoch unterschiedlicher Magnetronleistung abschieden werden sollen.The The invention relates to a device and a method for reactive Coating of objects by means of a magnetron sputtering device. Particularly suitable are the device according to the invention and the method according to the invention, if on several objects layers with identical stoichiometry However, to be dissociated from different magnetron power.

Beim reaktiven Beschichten von Objekten ist es möglich eine Entladung in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern in zwei stabilen Zuständen zu betreiben. Entsprechend der dominierenden Rolle der Targetbedeckung werden diese Zustände als Metall- und Reaktivzustand bezeichnet. Beim Abscheiden von Metalloxiden ergeben sich technische Probleme dahingehend, dass im Reaktivzustand kaum ökonomisch interessante Schichtaufwachsraten erzielbar sind und es im Metallzustand unmöglich ist, stöchiometrische Schichten abzuscheiden. Sollen stöchiometrische Schichten mit homogenen Schichteigenschaften auf der gesamten Oberfläche eines Objektes oder mehrerer Objekte mit hoher Rate aufgetragen werden ist es demzufolge erforderlich, einen Arbeitspunkt im Übergangsgebiet zwischen beiden Zuständen zu stabilisieren.At the reactive coating of objects, it is possible a discharge depending on of different process parameters in two stable states operate. According to the dominant role of target coverage become these states referred to as metal and reactive state. When depositing metal oxides technical problems arise in that in the reactive state hardly economical interesting layer growth rates are achievable and it is impossible in the metal state, stoichiometric To deposit layers. Should stoichiometric layers with homogeneous layer properties on the entire surface of a Object or multiple objects are applied at a high rate It is therefore necessary to have an operating point in the transition area between both states to stabilize.

Zum Stabilisieren einer reaktiven Entladung im Übergangsgebiet ist die gezielte Beeinflussung verschiedener Parameter wie beispielsweise Sputterrate, Reaktivgasfluss, Arbeitsgasdruck oder Plasmadichte geeignet. Die verbreitetste Vorgehensweise diesbezüglich ist das Regeln eines Reaktivgasstromes in eine Arbeitskammer bei Konstanthaltung eines elektrischen Parameters wie zum Beispiel der elektrischen Leistung einer Sputterquelle. Als geeignete Stellgröße wird hierbei die Plasmaintensität der charakteristischen Linie eines jeweiligen Targetmaterials oder eines Gases, beispielsweise eines Reaktivgases, verwendet. Die Intensität dieser Emissionslinie ist ein Maß für eine entsprechende Metalldampfdichte bzw. Gasdichte und somit geeignet qualitative Aussagen bezüglich der Stöchiometrie einer abzuscheidenden Schicht zu erlangen. Dazu ist es erforderlich, vor einem Beschichtungsvorgang die Intensität der hierbei verwendeten Emissionslinie zu kalibrieren. Ohne Zufuhr eines Reaktivgases oder mit einer definierten Zufuhr des Reaktivgases wird die Intensität der Emissionslinie abgeglichen, indem ein Bezugs- oder Referenzwert für die Intensität der optischen Plasmaemission eingestellt wird. Während des Beschichtens, d.h. unter Zufuhr des Reaktivgases, wird der Reaktivgasfluss in die Arbeitskammer derart geregelt, dass ein Intensitätssollwert der optischen Plasma emission, der eine relative Abhängigkeit vom Intensitätsbezugswert aufweist, konstantgehalten wird.To the Stabilizing a reactive discharge in the transition area is the most targeted Influencing various parameters such as sputtering rate, Reactive gas flow, working gas pressure or plasma density suitable. The The most common approach in this regard is the rules of a Reactive gas flow into a working chamber while maintaining a constant electrical parameters such as electrical power a sputtering source. In this case, the plasma intensity of the characteristic Line of a respective target material or a gas, for example of a reactive gas used. The intensity of this emission line is a measure of a corresponding Metal vapor density or gas density and thus suitable qualitative statements in terms of stoichiometry to obtain a layer to be deposited. For this it is necessary before a coating process, the intensity of the emission line used here to calibrate. Without supply of a reactive gas or with a defined Supply of the reactive gas is adjusted the intensity of the emission line, by providing a reference or reference value for the intensity of the optical Plasma emission is set. During coating, i. under supply of the reactive gas, the reactive gas flow into the working chamber is so regulated that an intensity setpoint the optical plasma emission, which is a relative dependence from the intensity reference value has, is kept constant.

Unter der Vorraussetzung, dass die eingespeiste elektrische Leistung und andere Parameter wie beispielsweise Arbeitsgasdruck, Plasmadichte und geometrische Verhältnisse in der Arbeitskammer konstant bleiben, werden bei gleichen Intensitätswerten der optischen Plasmaemission unter Idealbedingungen Schichten mit identischer Stöchiometrie abgeschieden.Under the prerequisite that the fed electric power and other parameters such as working gas pressure, plasma density and geometric relationships remain constant in the working chamber, are at the same intensity values the optical plasma emission under ideal conditions with layers identical stoichiometry deposited.

In der Praxis bewirkt jedoch beispielsweise fortschreitende Targeterosion Veränderungen in der Metalldampfdichte und damit das Verschieben oder Driften eines Arbeitspunktes, woraus veränderte Stöchiometrien einer gesputterten Schicht resultieren. Ähnliche Auswirkungen haben auch andere Effekte, wie beispielsweise Desorption von Gasen infolge zunehmender Temperatur in einer Arbeitskammer. Es ist daher bekannt, neben der Plasmaemissionsintensität einen oder mehrere weitere Parameter zu erfassen und für das Stabilisieren eines Arbeitspunktes zu verwenden und somit Schichten mit gleichbleibender Stöchiometrie abzuscheiden.In However, practice causes, for example, progressive target erosion changes in the metal vapor density and thus the shifting or drifting an operating point, from which changed stoichiometries result in a sputtered layer. Have similar effects also other effects, such as desorption of gases due to increasing temperature in a working chamber. It is therefore known in addition to the plasma emission intensity one or more others To capture parameters and for to use the stabilization of an operating point and thus layers with constant stoichiometry deposit.

Aus DE 37 09 177 A1 und DD 260 949 A1 ist es bekannt, die Intensität einer Spektrallinie im Plasma zwischen einem Target und einem Substrat zu erfassen und mit einem Intensitätssollwert zu vergleichen. In Abhängigkeit davon wird in einem Regelkreis der Fluss eines Reaktivgases in eine Arbeitskammer gesteuert. Dabei wird der Intensitätssollwert in Abhängigkeit von mindestens einer Eigenschaft der fertigen Schicht gleitend verändert.Out DE 37 09 177 A1 and DD 260 949 A1 It is known to detect the intensity of a spectral line in the plasma between a target and a substrate and to compare it with an intensity target value. Depending on this, the flow of a reactive gas into a working chamber is controlled in a control loop. In this case, the intensity setpoint is changed in a sliding manner as a function of at least one property of the finished layer.

Eine Lösung für lange Magnetrons, bei denen die Zufuhr eines Reaktivgases in mehreren Abschnitten erfolgt, ist in DD 239 811 A1 offenbart. Nach einem derartigen Verfahren wird in jedem Abschnitt mittels separater optischer Sensoren die Plasmaemissionsintensität erfasst und die Zufuhr des Reaktivgases in einem zugehörigen Abschnitt dementsprechend geregelt.A solution for long magnetrons, where the supply of a reactive gas takes place in several sections, is in DD 239 811 A1 disclosed. According to such a method, the plasma emission intensity is detected in each section by means of separate optical sensors, and the supply of the reactive gas in a corresponding section is regulated accordingly.

Eine weitere Lösung für lange Magnetrons ist aus DE 197 15 647 A1 bekannt. Ein Magnetron wird hierbei in Längsrichtung in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt. Während der Reaktivgasstrom im ersten Abschnitt in Abhängigkeit von der Entladungsspannung im ersten Abschnitt geregelt wird, ist im zweiten Abschnitt die Plasmaemissionsintensität die Regelgröße für den Reaktivgasstrom. Bezugsgröße für die Plasmaemissionsintensitätsregelstrecke im zweiten Abschnitt ist jedoch die Plasmaemissionsintensität im ersten Abschnitt. Auch mit einer derartigen Vorgehensweise ist es möglich, eine Schicht mit gleicher Stöchiometrie über die gesamte Länge des Magnetrons abzuscheiden.Another solution for long magnetrons is out DE 197 15 647 A1 known. A magnetron is in this case subdivided into a first and a second section in the longitudinal direction. While the reactive gas flow in the first section is regulated as a function of the discharge voltage in the first section, in the second section the plasma emission intensity is the controlled variable for the reactive gas flow. However, the reference quantity for the plasma emission intensity control path in the second section is the plasma emission intensity in the first section. Even with such a procedure, it is possible to deposit a layer with the same stoichiometry over the entire length of the magnetron.

Allen oben aufgeführten bekannten Verfahrensweisen ist es eigen, dass das Stabilisieren eines Arbeitspunktes und somit das Abscheiden von Schichten mit gleicher Stöchiometrie von einer konstanten Magnetronleistung abhängig ist. Eine veränderte Beschichtungsrate/Magnetronleistung unter Beibehaltung einer Schichtstöchiometrie ist mit derartigen Verfahren und Einrichtungen nur dann realisierbar, wenn eine entsprechende Magnetroneinrichtung nach veränderter Leistung bezüglich der Plasmaemissionsintensität erneut kalibriert und ein entsprechender Arbeitspunkt experimentell ermittelt wird.All known methods listed above For example, stabilizing an operating point and thus depositing layers having the same stoichiometry depends on a constant magnetron power. An altered coating rate / magnetron performance while maintaining a layer stoichiometry can only be realized with such methods and devices if a corresponding magnetron device is calibrated again for changed power with respect to the plasma emission intensity and a corresponding operating point is determined experimentally.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mittels derer Objekte nach dem Magnetronprinzip reaktiv beschichtet werden können. Dabei sollen während der Nutzungsdauer eines Targets und nach einem Targetwechsel Schichten mit weitgehend konstanter Stöchiometrie auf einem Objekt oder mehreren Objekten aufgestäubt werden können. Ferner soll es mit dem Verfahren und der Vorrichtung möglich sein, die eingespeiste Magnetronleistung bzw. die Beschichtungsrate zu verändern, d.h. beispielsweise bei einer dynamischen Beschichtung Schichten bzw. Schichtabschnitte mit unterschiedlicher Schichtdicke jedoch identischer Stöchiometrie abzuscheiden ohne das oben dargestellte manuelle Kalibrieren der Magnetroneinrichtung und experimentelle Ermitteln eines Arbeitspunktes zu erfordern.Of the The invention is therefore based on the technical problem of a device and to provide a method by which objects according to the magnetron principle can be coated reactive. there should while the useful life of a target and after a target change layers with largely constant stoichiometry on one or more objects can be dusted. Further it should be possible with the method and the device that fed Magnetronleistung or the coating rate to change, i. For example, in a dynamic coating layers or Layer sections with different layer thickness but more identical stoichiometry to separate without the above manual calibration of the Magnetroneinrichtung and experimental determination of an operating point to require.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the technical problem arises from the objects with the features of the claims 1 and 11. Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst eine Magnetroneinrichtung eine Arbeitskammer, eine erste Messeinrichtung zum Erfassen der Intensität einer optischen Plasmaemission innerhalb der Arbeitskammer und neben einem inneren Regelkreis, in welchem der Fluss eines Reaktivgases in die Arbeitskammer während eines Beschichtungsvorgangs mittels einer ersten Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Intensität der optischen Plasmaemission gesteuert wird, einen äußeren Regelkreis, mittels welchem der Reaktivgasfluss in die Arbeitskammer während des Beschichtungsvorgangs beeinflusst wird indem in Abhängig keit eines mittels einer zweiten Messeinrichtung erfassten Reaktivgaspartialdruckwertes ein in den inneren Regelkreis eingehender Wert verändert wird.According to the invention a magnetron device a working chamber, a first measuring device to capture the intensity an optical plasma emission within the working chamber and next to an inner loop, in which the flow of a reactive gas in the working chamber during a coating operation by means of a first control device dependent on from the detected intensity the optical plasma emission is controlled, an outer loop, by means of which the reactive gas flow into the working chamber during the Coating process is influenced by depending on speed a detected by a second measuring device Reaktivgaspartialdruckwertes a value entering the inner loop is changed.

Dem Erfindungsgedanken liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Reaktivgaspartialdruck, ähnlich wie die Intensität einer Plasmaemission, ein Parameter ist, welcher unter bestimmten Voraussetzungen qualitative Aussagen über die Stöchiometrie einer abgeschiedenen Schicht ermöglicht. So weist ein konstanter Reaktivgaspartialdruck genauso wie eine konstante Plasmaemissionsintensität bei Einhaltung eines Arbeitspunktes auf eine gleichbleibende Schichtstöchiometrie hin. Voraussetzung hiefür ist jedoch das Konstanthalten anderer stöchiometriebeeinflussender Parameter wie beispielsweise Trägergasdruck, Temperatur der Komponenten oder geometrische Verhältnisse in einer Arbeitskammer. Bezüglich einer Stöchiometrieaussage weist der Reaktivgaspartialdruck allerdings gegenüber der Plasmaemissionsintensität einen zusätzlichen Freiheitsgrad auf. Bei gleichbleibendem Reaktivgaspartialdruck wird auch dann eine Schicht mit gleichbleibender Stöchiometrie abgeschieden, wenn eine eingespeiste Magnetronleistung variiert. Eine Aussage in Abhängigkeit von einer Plasmaemissionsintensität ist jedoch immer an eine konstant eingespeiste Leistung gebunden.the The idea underlying the invention is that the reactive gas partial pressure, similar to the intensity a plasma emission, is a parameter which under certain Prerequisites qualitative statements about the stoichiometry of a deposited Layer allows. So has a constant reactive gas partial pressure as well as a constant Plasma emission intensity while maintaining an operating point to a constant Schichtstöchiometrie out. Prerequisite for this however, is keeping other stoichiometric influencing parameters constant such as carrier gas pressure, Temperature of the components or geometric relationships in a working chamber. In terms of a stoichiometry statement However, the Reaktivgaspartialdruck indicates the Plasma emission intensity An additional Degree of freedom. At constant reactive gas partial pressure is even then deposited a layer of consistent stoichiometry, though an input magnetron power varies. A statement in dependence of a plasma emission intensity, however, is always one tied to constantly fed performance.

Erfindungsgemäß werden beim Abscheiden von Schichten beide Parameter, Plasmaemissionsintensität und Reaktivgasdruck, mittels separater Messeinrichtungen erfasst und in zwei Regelkreisen durch den Fluss eines Reaktivgases in eine Arbeitskammer ausgeregelt. Wird Sauerstoff als Reaktivgas verwendet, ist beispielsweise eine Lambdasonde geeignet, den Reaktivgaspartialdruck zu erfassen. Zum Erfassen eines Reaktivgaspartialdrucks sind jedoch auch Massenspektrometer oder Gaschromatographen geeignet.According to the invention when depositing layers, both parameters, plasma emission intensity and reactive gas pressure, detected by separate measuring devices and in two control circuits by the flow of a reactive gas in a working chamber regulated. If oxygen is used as the reactive gas, for example, is a Lambda probe suitable to detect the reactive gas partial pressure. To capture However, a Reaktivgaspartialdrucks are also mass spectrometers or gas chromatograph suitable.

Prinzipiell ist es auch möglich eine Schichtstöchiometrie einzuhalten indem nur der Reaktivgaspartialdruck bezüglich eines Sollwertes ausgeregelt wird. Jedoch weist ein Reaktivgaspartialdruckregelkreis im Allgemeinen eine viel höhere Zeitkonstante auf als ein Plasmaemissionsintensitätsregelkreis. Eine aus der größeren Zeitkonstante resultierende größere Schwankungsbreite in der Schichtstöchiometrie ist bei vielen Anwendungsfällen nicht akzeptabel.in principle it is also possible a Schichtstöchiometrie by only the reactive gas partial pressure with respect to a Setpoint is corrected. However, a reactive gas partial pressure control loop has generally a much higher one Time constant on as a plasma emission intensity control loop. A from the larger time constant resulting larger fluctuation range in the layer stoichiometry is in many applications unacceptable.

Daher vereint ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung die Vorteile beider Regelkreise. Ein innerer Plasmaemissionsregelkreis gewährleistet eine geringe Zeitkonstante, die im Wesentlichen durch die Signallaufzeiten und die Trägheit eines zugehörigen Regelmechanismus bestimmt werden. Ein äußerer Reaktivgaspartialdruckregelkreis stellt hingegen sicher, dass bei veränderter eingespeister Energie oder bei einem driftenden Arbeitspunkt Schichten mit gleichbleibender Stöchiometrie abgeschieden werden können.Therefore combines a method according to the invention and a device according to the invention the advantages of both control circuits. An inner plasma emission control loop guaranteed a small time constant, which is essentially due to the signal propagation times and the inertia of a associated Control mechanism to be determined. An outer reactive gas partial pressure control loop On the other hand, it ensures that when the energy supplied is changed or at a drifting operating point, layers with consistent stoichiometry can be separated.

Bei einer Ausführungsform, bei welcher Metalloxidschichten mit gleichbleibender Stöchiometrie innerhalb einer Arbeitskammer reaktiv auf einem oder mehreren Objekten aufgesputtert werden sollen, wird vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang die dafür verwendete Vorrichtung kalibriert. Ohne Zufuhr eines Reaktivgases oder mit einer definierten Zufuhr des Reaktivgases wird bei einer vorgegebenen Magnetronleistung ein Bezugswert für die Intensität der Plasmaemission eines zu zerstäubenden Metalltargets gewonnen. Der Bezugswert für die Intensität der Plasmaemission kann beispielsweise einer Intensität von 100 % entsprechen. Der Bezugswert kann jedoch auch eine andere Größe annehmen. Im Anschluss daran wird experimentell ein Sollwert für die Intensität der Plasmaemission ermittelt, bei welchem die aufzustäubende Schicht eine gewünschte Stöchiometrie aufweist.In one embodiment, metal oxide layers of consistent stoichiometry within a working chamber are reactive to one another or more objects are sputtered, the apparatus used for this purpose is calibrated before the actual coating process. Without supply of a reactive gas or with a defined supply of the reactive gas, a reference value for the intensity of the plasma emission of a metal target to be atomized is obtained for a given magnetron power. The reference value for the intensity of the plasma emission may, for example, correspond to an intensity of 100%. However, the reference may also take on a different size. Subsequently, a target value for the intensity of the plasma emission is determined experimentally, in which the layer to be sputtered has a desired stoichiometry.

Während des Beschichtungsvorgangs erfasst eine erste Messeinrichtung in einem inneren Regelkreis die Intensität der Plasmaemission innerhalb der Arbeitskammer. Eine erste Steuereinrichtung vergleicht den erfassten Plasmaemissionsintensitätswert mit dem Plasmaemissionsintensitätssollwert. Mittels eines Stellgliedes wird eine dabei festgestellte Abweichung ausgeregelt, wobei das Stellglied den Fluss des Reaktivgases in die Arbeitskammer verändert. Bei einem unveränderten Arbeitspunkt, d.h. die eingespeiste Magnetronleistung und weitere Parameter wie beispielsweise Trägergasdruck, Plasmadichte und geometrische Verhältnisse in der Arbeitskammer bleiben konstant, gewährleistet der innere Regelkreis das Abscheiden einer Schicht mit gleichbleibender Stöchiometrie.During the Coating process detects a first measuring device in one inner loop the intensity the plasma emission within the working chamber. A first control device compares the detected plasma emission intensity value with the plasma emission intensity setpoint. By means of an actuator is a detected deviation controlled, wherein the actuator, the flow of the reactive gas in changed the working chamber. At an unchanged Operating point, i. the fed magnetron power and other parameters such as carrier gas pressure, Plasma density and geometric conditions in the working chamber stay constant, guaranteed the inner control loop depositing a layer with constant Stoichiometry.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird unter den Bedingungen, bei denen eine Schicht mit erwünschter Stöchiometrie abgeschieden wird, mittels einer zweiten Messeinrichtung ein Reaktivgaspartialdruckwert erfasst und als Reaktivgaspartialdrucksollwert festgelegt. Mittels des Reaktivgaspartialdrucksollwertes ist es möglich, eine gewünschte Schichtstöchiometrie auch bei veränderter Magnetronleistung beizubehalten. Dazu erfasst die zweite Messeinrichtung als Bestandteil eines äußeren Regelkreises einen aktuellen Reaktivgaspartialdruckwert, welcher mittels einer zweiten Steuereinrichtung mit dem Reaktivgaspartialdrucksollwert verglichen wird. Tritt dabei eine Abweichung auf, wird daraufhin der Bezugswert oder der Sollwert für die Intensität der Plasmaemission derart verändert, dass über den inneren Regelkreis der Reaktivgasstrom in die Arbeitskammer entsprechend dem Reaktivgaspartialdrucksollwert ausgeregelt wird.at a preferred embodiment is under the conditions where a layer with desired stoichiometry is deposited, by means of a second measuring device a reactive gas partial pressure value detected and set as Reaktivgaspartialdrucksollwert. through of the reactive gas partial pressure set point, it is possible to achieve a desired layer stoichiometry even with changed Maintain magnetron power. The second measuring device detects this as part of an external control loop a current reactive gas partial pressure value which is determined by means of a second control device with the reactive gas partial pressure setpoint is compared. If a deviation occurs, then the Reference value or the setpoint for the intensity of Plasma emission changed so that over the inner loop of the reactive gas flow into the working chamber is adjusted according to the reactive gas partial pressure setpoint.

Beträgt der Plasmaemissionsintensitätssollwert beispielsweise 20 % vom Bezugswert der Plasmaemissionsintensität, so bleibt der Plasmaemissionsintensitätssollwert nach einer Veränderung des Bezugswertes der Plasmaemissionsintensität infolge einer festgestellten Abweichung eines erfassten Reaktivgaspartialdruckistwertes vom Reaktivgaspartialdrucksollwert relativ konstant, nämlich 20 %, jedoch verändert sich der Absolutwert des Plasmaemissionsintensitätssollwertes.Is the plasma emission intensity setpoint For example, 20% of the reference value of the plasma emission intensity remains the plasma emission intensity setpoint after a change the reference value of the plasma emission intensity as a result of a detected Deviation of a detected reactive gas partial pressure actual value from the reactive gas partial pressure setpoint relatively constant, namely 20%, but changed the absolute value of the plasma emission intensity set point.

Das Verändern des Bezugswertes der Plasmaemissionsintensität kann in der Praxis realisiert werden, indem beispielsweise die Verstärkung des Messverstärkers für die Intensitätsmessung verändert wird. Wie bereits erwähnt, kann auch der Plasmaemissionsintensitätssollwert direkt verändert werden. Beide Varianten führen zu einem veränderten Absolutsollwert für die Plasmaemissionsintensität, wodurch der innere Regelkreis beeinflusst wird.The Change the reference value of the plasma emission intensity can be realized in practice, for example, the gain of the measuring amplifier for the intensity measurement changed becomes. As already mentioned, The plasma emission intensity set point can also be changed directly. Both variants lead to a modified absolute reference value for the Plasma emission intensity, thereby the inner loop is affected.

Im Zusammenwirken beider Regelkreise ist es möglich, bei veränderter Magnetronleistung oder auch bei Drift eines Arbeitspunktes Schichten mit gleichbleibender Stöchiometrie abzuscheiden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind deshalb beispielsweise geeignet für dynamische Beschichtungsaufgaben, bei denen eine Gruppe von Objekten mit einer identischen Stöchiometrie aber einer unterschiedlichen Schichtdicke beschichtet werden soll. Es können jedoch auch Beschichtungsaufgaben gelöst werden, bei denen auf einem Objekt Schichtabschnitte mit identischer Stöchiometrie jedoch unterschiedlicher Schichtdicke aufgetragen werden sollen. Dabei können die Schichtabschnitte nebeneinander, direkt übereinander oder getrennt durch mindestens eine Zwischenschicht auf dem Objekt angeordnet sein. Erfindungsgemäß können jedoch auch dynamische Beschichtungsaufgaben gelöst werden, bei denen Schichten mit unterschiedlicher Abscheiderate infolge einer veränderten Magnetronleistung abgeschieden werden.in the Interaction between both control loops makes it possible, if changed Magnetron power or even at drift of a working layer with constant stoichiometry deposit. The inventive method and the device according to the invention are therefore suitable, for example, for dynamic coating tasks, where a group of objects with an identical stoichiometry but a different layer thickness to be coated. It can However, also coating tasks are solved, where on one Object Layer sections with identical stoichiometry but different layer thickness should be applied. In this case, the layer sections next to each other, directly above each other or separated by at least one intermediate layer on the object be arranged. However, according to the invention Also, dynamic coating tasks are solved, in which layers with different deposition rate as a result of an altered Magnetron power are deposited.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch zwei Regelkreise für den Fluss des Reaktivgases Sauerstoff in eine Arbeitskammer 1 einer Magnetroneinrichtung.The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. The single figure shows schematically two control circuits for the flow of the reactive oxygen in a working chamber 1 a magnetron device.

In der Arbeitskammer 1 sollen mehrere Objekte 2 mittels eines Doppelmagnetrons 3, basierend auf einem bipolaren Mittelfrequenzsputterverfahren, nacheinander durch einen stationären, reaktiven Beschichtungsvorgang mit einer Metalloxidschicht versehen werden. Dazu werden von Targets 3a und 3b abgestäubte Teilchen in Verbindung mit dem in die Arbeitskammer 1 eingeleiteten Reaktivgas Sauerstoff auf einem jeweiligen Objekt 2 abgeschieden. Die Objekte 2 sind in zwei Teilgruppen unterteilt. Die Objekte 2 beider Teilgruppen sollen mit einer Metalloxidschicht versehen werden, welche eine identische Stöchiometrie aufweisen, jedoch sollen die Metalloxidschichten der Objekte 2 der ersten Teilgruppe eine andere Schichtdicke aufweisen, als die Metalloxidschichten der Objekte 2 der zweiten Teilgruppe.In the workroom 1 should have multiple objects 2 by means of a double magnetron 3 based on a bipolar middle frequency sputtering method, are sequentially provided by a stationary, reactive coating process with a metal oxide layer. These are from targets 3a and 3b dust particles in conjunction with the in the working chamber 1 introduced reactive gas oxygen on a respective object 2 deposited. The objects 2 are divided into two subgroups. The objects 2 Both subgroups should be provided with a metal oxide layer, which have an identical stoichiometry, but the metal oxide layers of the objects 2 the first subgroup have a different layer thickness, as the metal oxide layers of objects 2 the second subgroup.

Vor dem Beschichten und ohne Zufuhr von Sauerstoff wird die Emissionsmessung dahingehend kalibriert, dass ein Bezugswert B für die Intensität der optischen Plasmaemission gewonnen wird, der einer Intensität von 100 % entspricht. Die dabei konstant in die Magnetroneinrichtung eingespeiste Leistung entspricht der Leistung, mit welcher die erste Teilgruppe von Objekten 2 beschichtet werden soll. Darauffolgend wird experimentell ein Sollwert S1 für die Intensität der optischen Plasmaemission ermittelt, bei welchem die abzuscheidende Metalloxidschicht die gewünschte Stöchiometrie aufweist. Im Ausführungsbeispiel entspricht der ermittelte Sollwert S1 20 % vom Bezugswert B.Prior to coating and without supply of oxygen, the emission measurement is calibrated to obtain a reference value B for the intensity of the optical plasma emission corresponding to an intensity of 100%. The power constantly fed into the magnetron device corresponds to the power with which the first subgroup of objects 2 should be coated. Subsequently, a target value S1 for the intensity of the optical plasma emission is determined experimentally, in which the metal oxide layer to be deposited has the desired stoichiometry. In the exemplary embodiment, the determined desired value S1 corresponds to 20% of the reference value B.

Die Voraussetzungen für das Beschichten der ersten Teilgruppe von Objekten 2 sind nunmehr erfüllt. Beim Beschichten der Objekte 2 der ersten Teilgruppe wird in einem inneren Regelkreis mittels einer Messeinrichtung 4 ein Istwert I1 für die optische Plasmaemission in der Arbeitskammer 1 erfasst und an eine erste Steuereinrichtung 5 übermittelt. Steuereinrichtung 5 vergleicht den erfassten Istwert I1 mit dem Sollwert S1. Eine dabei auftretende Abweichung wird mittels eines Reglers 6, der auf ein Stellglied 7 wirkt, ausgeregelt, wobei mit dem Stellglied 7 der Fluss des Reaktivgases Sauerstoff in die Arbeitskammer 1 beeinflusst wird. Im inneren Regelkreis wird somit der Sauerstoffstrom in die Arbeitskammer 1 derart geregelt, dass die Intensität der optischen Plasmaemission in der Arbeitskammer 1 konstant bleibt, wodurch bei konstanter Energieeinspeisung Schichten mit identischer Stöchiometrie auf den Objekten 2 der ersten Teilgruppe abgeschieden werden können. Unter diesen Bedingungen, d.h. es wird eine Schicht mit erwünschter Stöchiometrie abgeschieden, erfasst eine Messeinrichtung 8, welche eine Lambdasonde umfasst, einen Wert für den Sauerstoffpartialdruck in der Arbeitskammer 1. Dieser Wert wird als Sollwert S2 für den Sauerstoffpartialdruck festgelegt.The prerequisites for coating the first subgroup of objects 2 are now fulfilled. When coating the objects 2 the first subgroup is in an inner loop by means of a measuring device 4 an actual value I1 for the optical plasma emission in the working chamber 1 detected and to a first control device 5 transmitted. control device 5 compares the detected actual value I1 with the setpoint S1. An occurring deviation is by means of a regulator 6 who is on an actuator 7 acts, regulated, with the actuator 7 the flow of the reactive gas oxygen into the working chamber 1 being affected. In the inner loop thus the oxygen flow in the working chamber 1 so regulated that the intensity of the optical plasma emission in the working chamber 1 remains constant, whereby at constant energy input layers with identical stoichiometry on the objects 2 the first subgroup can be deposited. Under these conditions, ie, a layer of desired stoichiometry is deposited, a measuring device detects 8th , which includes a lambda probe, a value for the oxygen partial pressure in the working chamber 1 , This value is set as setpoint S2 for the oxygen partial pressure.

In einem äußeren Regelkreis kann nunmehr der Zufluss des Reaktivgases Sauerstoff in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck indirekt geregelt werden. Dazu erfasst Messeinrichtung 8 einen Istwert I2 für den Sauerstoffpartialdruck und übermittelt diesen einer zweiten Steuereinrichtung 9. Diese vergleicht den Istwert I2 mit dem Sollwert S2. Eine dabei festgestellte Regelabweichung hat das Verändern des Bezugswertes B zur Folge. Ein veränderter Bezugswert B wirkt sich wiederum auf den inneren Regelkreis aus. Über den inneren Regelkreis nimmt der veränderte Bezugswert B Einfluss auf den Sauerstoffzustrom in die Arbeitskammer 1.In an external control loop, the inflow of the reactive gas oxygen as a function of the oxygen partial pressure can now be regulated indirectly. This includes measuring equipment 8th an actual value I2 for the oxygen partial pressure and transmits this to a second control device 9 , This compares the actual value I2 with the setpoint S2. A deviation detected thereby results in changing the reference value B. An altered reference value B in turn affects the inner control loop. Via the inner control loop, the changed reference value B influences the oxygen flow into the working chamber 1 ,

Der äußere Regelkreis erweist sich besonders vorteilhaft für das Beschichten der zweiten Teilgruppe von Objekten 2. Für die zweite Teilgruppe, bei der eine andere Schichtdicke ausgebildet werden soll, ist es erforderlich, die elektrische Leistung der Magnetroneinrichtung zu verändern. Ohne den äußeren Regelkreis wäre nach veränderter Magnetronleistung ein erneutes Kalibrieren der Magnetroneinrichtung und experimentelles Bestimmen eines neuen Arbeitspunktes erforderlich. Mit dem äußeren Regelkreis ist es jedoch möglich nach veränderter Magnetronleistung den Sauerstoffpartialdruck in der Arbeitskammer 1 dem Sauerstoffpartialdrucksollwert S2 anzupassen und somit die Bedingungen in der Arbeitskammer 1 herzustellen, bei denen eine Schicht mit der erwünschten Stöchiometrie auf den Objekten 2 der zweiten Teilmenge abgeschieden wird.The outer loop proves to be particularly advantageous for the coating of the second subset of objects 2 , For the second subgroup, in which a different layer thickness is to be formed, it is necessary to change the electrical power of the magnetron device. Without the outer loop, a change in magnetron power would require re-calibrating the magnetron device and experimentally determining a new operating point. With the outer control loop, however, it is possible to adjust the oxygen partial pressure in the working chamber 1 to the oxygen partial pressure setpoint S2, and thus the conditions in the working chamber, after the magnetron power has changed 1 produce a layer with the desired stoichiometry on the objects 2 the second subset is deposited.

Das Regeln über den Sauerstoffpartialdruck wirkt sich jedoch nicht erst nach veränderter Magnetronleistung vorteilhaft aus, sondern wirkt sich auch schon dann positiv aus, wenn fortschreitende Targeterosion oder andere sich ändernde Parameter zu einer Drift des Arbeitspunktes führen. Auch hierbei werden über den Sauerstoffpartialdruck wieder die Bedingungen realisiert, mit denen eine erwünschte Schichtstöchiometrie erzielt wird.The Rules about However, the partial pressure of oxygen does not affect itself until it has changed Magnetron performance advantageous, but also affects already then positive, if progressive target erosion or others changing Parameters lead to a drift of the operating point. Again, over the Oxygen partial pressure again realized the conditions with which a desirable layer stoichiometry is achieved.

Claims

Device for reactive coating of objects ( 2 ) according to the magnetron principle, comprising a working chamber ( 1 ) with at least one magnetron ( 3 ), a first measuring device ( 4 ) for detecting an intensity value (I1) of an optical plasma emission within the working chamber ( 1 ) and an internal control loop in which the flow of a reactive gas into the working chamber ( 1 ) during a coating operation by means of a first control device ( 5 ) is controllable in dependence on the detected intensity value (I1) of the optical plasma emission, characterized in that the reactive gas flow into the working chamber ( 1 ) during the coating process can be influenced by in an outer control loop by means of a second control device ( 9 ) as a function of a second measuring device ( 8th ) detected Reaktivgaspartialdruckwertes (I2) an incoming into the inner loop value can be changed.

Apparatus according to claim 1, characterized in that before the coating process without supply of the reactive gas or with a defined supply of the reactive gas, the first measuring device ( 4 ) and / or the first control device ( 5 ) can be calibrated in such a way that a reference value (B) for the intensity of the optical plasma emission can be obtained at a constant input power; wherein during the coating process with the supply of the reactive gas, a relative to the reference value (B) dependent intensity target value (S1) of the optical plasma emission can be determined, in which the layer to be deposited a desired Stöchiomet has; wherein during the coating process the reactive gas flow into the working chamber ( 1 ) is controllable by means of the inner control loop such that a by means of the first measuring device ( 4 ) value (I1) for the intensity of the optical plasma emission corresponds to the intensity setpoint (S1).

Apparatus according to claim 2, characterized in that under the conditions in which a layer with desired stoichiometry is deposited, by means of the second measuring device ( 8th ) a Reaktivgaspartialdruckwert detectable and as Reaktivgaspartialdrucksollwert (S2) can be determined.

Apparatus according to claim 3, characterized in that during the coating process in the outer control loop by means of the second control device ( 9 ) the reference value (B) for the intensity of the optical plasma emission is variable such that a by means of the second measuring device ( 8th ) detected reactive gas partial pressure value (I2) corresponds to the reactive gas partial pressure setpoint (S2).

Apparatus according to claim 3, characterized in that during the coating process in the outer control loop by means of the second control device ( 9 ), the setpoint value (S1) for the intensity of the optical plasma emission is variable such that a value determined by means of the second measuring device ( 8th ) detected reactive gas partial pressure value (I2) corresponds to the reactive gas partial pressure setpoint (S2).

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the inner loop has a smaller time constant as the outer loop having.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first control device ( 4 ) and the second control device ( 9 ) are formed as a unit.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second measuring device ( 4 ) comprises a lambda probe.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second measuring device ( 4 ) comprises a mass spectrometer.

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that layers with identical stoichiometry, However, different deposition rates are separable.

Method for reactive coating of objects ( 2 ) by means of a magnetron device, comprising a working chamber ( 1 ) with at least one magnetron ( 3 ), a first measuring device ( 4 ) for detecting an intensity value (I1) of an optical plasma emission within the working chamber ( 1 ) and an internal control loop in which the flow of a reactive gas into the working chamber ( 1 ) during a coating operation by means of a first control device ( 5 ) is controlled in dependence on the detected intensity value (I1) of the optical plasma emission, characterized in that the reactive gas flow into the working chamber ( 1 ) is influenced during the coating process by means of a second control device in an external control loop ( 9 ) as a function of a second measuring device ( 8th ) detected reactive gas partial pressure value (I2) an incoming into the inner control loop value is changed.

A method according to claim 11, characterized in that prior to the coating process without supply of the reactive gas or with a defined supply of the reactive gas, the first measuring device ( 4 ) and / or the first control device ( 5 ) is calibrated such that at a constant applied power, a reference value (B) for the intensity of the optical plasma emission is obtained; during the coating process, supplying the reactive gas, determining an intensity target value (S1), dependent on the reference value (B), of the optical plasma emission at which the layer to be deposited has a desired stoichiometry; wherein, during the coating process, the reactive gas flow into the working chamber is controlled by means of the inner control circuit such that the intensity value (I1) of the optical plasma emission detected by the first measuring device corresponds to the intensity setpoint (S1).

A method according to claim 12, characterized in that under the conditions in which a layer is deposited with a desired stoichiometry, by means of the second measuring device ( 8th ) a Reaktivgaspartialdruckwert detected and is set as Reaktivgaspartialdrucksollwert (S2).

A method according to claim 13, characterized in that during the coating process in the outer control loop by means of the second control device ( 9 ) the reference value (B) for the intensity of the optical plasma emission is changed in such a way that a reactive gas partial pressure value (I2) detected by means of the second measuring device corresponds to the reactive gas partial pressure setpoint (S2).

A method according to claim 13, characterized in that during the coating process in the outer control loop by means of the second control device ( 9 ) the setpoint value (S1) for the intensity of the optical plasma emission is changed in such a way that a reactive gas partial pressure value (I2) detected by the second measuring device corresponds to the reactive gas partial pressure setpoint (S2).

Method according to claim 14 or 15, characterized in that the control of the reactive gas flow into the working chamber ( 1 ) on the optical plasma emission in the inner loop faster, ie, with a smaller time constant, than changing the setpoint (S1) or the reference value (B) of the plasma emission intensity in the outer loop.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that layers with identical stoichiometry, However, different deposition rates are deposited.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the outer loop in response to a change the power fed into the magnetron device becomes active.