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 Sputter Spotlight masthead

Bewertung der Qualität des Stromversorgungssystems


Die Entscheidung über das richtige Stromversorgungssystem für Ihren Prozess ist an zwei wichtige Fragen gekoppelt: einmal nach der Art der Prozess-Stromversorgung und nach dem Anbieter. Selbst wenn Sie die ideale Methode gewählt und diese sogar optimal in Betrieb genommen haben, so können all diese Bemühungen fruchtlos gewesen sein, wenn sich die Einheit unter realen Bedingungen als fehleranfällig herausstellt. Es ist daher ausschlaggebend, sich für ein anerkanntes Produkt von hoher Qualität zu entscheiden.

Was passiert, wenn die Gaszufuhr aufhört?

Wenn Ihr Stromversorgungssystem ausfällt, kommt Ihr Prozess zum Stillstand. Ein Stromversorgungssystem hoher Qualität jedoch schützt Ihren Prozess-Durchsatz und Ihr Anlagenkapital. Es erfüllt auch die härtesten Prozessanforderungen und sichert Ihre Anlage sogar vor den eventuell verheerenden Folgen eines Wartungsfehlers, z.B. einer nicht rechtzeitig ausgetauschten Gasflasche.

Sechs entscheidende Tests für die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung

Wenn das Gas ausgeht, zerstört sich Ihr Stromversorgungssystem dann selbst? Um die Qualität Ihres derzeitigen Stromversorgungssystems zu prüfen bzw. um bei der Wahl eines neuen behilflich zu sein, können Sie die folgenden Tests durchführen. Sie stellen extreme, aber dennoch realistische Situationen dar, die minderwertige Geräte von vornherein ausschließen.

Beachten Sie jedoch bitte, dass diese Tests zur Selbstzerstörung eines Stromversorgungssystems minderer Qualität führen können. Falls Sie sich nicht sicher sind, ob Ihr Stromversorgungssystem unter diesen Umständen geeignet ist bzw. falls Sie den Kauf eines neuen Stromversorgungssystems in Erwägung ziehen, sollten Sie die folgenden Fragen rein theoretisch behandeln. Alle Stromversorgungsgeräte von AE sind jedoch entwickelt und getestet worden, um den hier beschriebenen harten Bedingungen standzuhalten.

WARNUNG!

Ungeeignete Stromversorgungsgeräte können unter den hier beschriebenen Bedingungen eine Gefahrenquelle darstellen. Ergreifen Sie daher alle notwendigen Vorsichtsmaßnahmen, um Personen und Anlagen während der Tests zu schützen.



Test 1

Stellen Sie Ihr Stromversorgungssystem auf die maximale Ausgangsleistung. Schalten Sie dann die Gaszufuhr plötzlich ab. Diese Situation würde dem realen Fall entsprechen, dass jemand es versäumt hat, die Gasflasche nachzufüllen bzw. auszutauschen. Wie reagiert das Stromversorgungssystem darauf? Arbeitet es normal weiter? Geht es einfach in den Zustand hoher Leerlaufspannung? Oder geht es kaputt („kaputtgehen“ kann Rauch, Feuer oder irgendein anderes eindeutiges Zeichen einer Fehlfunktion beinhalten)?

Sollte Ihr Stromversorgungssystem immer noch voll funktionstüchtig sein, fahren Sie mit dem nächsten Test fort.

Test 2

Stellen Sie das Gas wieder an. Obwohl es dem ersten Test standgehalten hatte, bricht Ihr Stromversorgungssystem jetzt zusammen oder funktioniert es normal weiter?

Sollte Ihr Stromversorgungssystem immer noch voll funktionstüchtig sein, fahren Sie mit dem nächsten Test fort.

Test 3

Nach dem Sie mit Ihrem Stromversorgungssystem nun die beiden ersten Tests durchgeführt haben, stellen Sie es jetzt im Full-Metal-Modus (hohe Spannung, niedrige Stromstärke).

Sollte Ihr Stromversorgungssystem immer noch voll funktionstüchtig sein, fahren Sie mit dem nächsten Test fort.

Test 4

Senken Sie den Druck langsam auf einen Wert zwischen 4 und 5 Torr ab. Ihr Stromversorgungssystem sollte diesen Gasmangel aushalten.

ISollte Ihr Stromversorgungssystem immer noch voll funktionstüchtig sein, fahren Sie mit dem nächsten Test fort.

Test 5

Um zu prüfen, ob Ihr Stromversorgungssystem schnelle und extreme Impedanzänderungen handhaben kann (s. Hysteresiskurve weiter unten), betreiben Sie es zunächst unter reinem Argon im Full-Metal-Modus (hohe Spannung, niedrige Stromstärke). Schalten Sie dann schnell auf reinen Sauerstoff und maximale Leistung und Full-Reactive-Modus um. Schalten Sie danach bei voller Leistung zurück auf reines Argon.

Hysteresis curve

Hysteresiskurve


Sollte Ihr Stromversorgungssystem immer noch voll funktionstüchtig sein, fahren Sie mit dem nächsten Test fort.

Test 6

Falls Ihr Stromversorgungssystem die Tests 1 bis 5 bestanden hat, prüfen Sie es unter extremen Bedingungen für Lichtbogenauftritt. „Merkt“ es die Lichtbögen schnell genug und löscht sie, bevor die Schichtqualität beschädigt wird?

Schlussfolgerung

Sollte Ihr Stromversorgungssystem nicht alle Tests bestanden haben, hat es nicht die geeignete Qualität, um Ihren Prozess und Ihr Anlagenkapital umfassend zu schützen. Falls Sie ein Stromversorgungssystem suchen, das entwickelt und getestet wurde, um diesen harten Bedingungen zu widerstehen, wenden Sie sich an AE. Sämtliche Stromversorgungsgeräte von AE sind so konstruiert, dass sie ihre Leistungsfähigkeit unter realen Bedingungen, einschließlich. den hier beschriebenen, beibehalten. Außerdem schalten hochentwickelte Schutzschaltungen die Einheit bei Bedarf ab, um zu verhindern, dass Schäden bei Stromversorgungsgeräten auftreten.



Nehmen Sie an „Fragen Sie Doug“ teil!

Was haben Sie bei der Durchführung dieser Tests beobachtet? Schicken Sie uns Ihre Ergebnisse – ob positiv, negativ, verblüffend usw. – an sputtering@aei.com. Schriftliche Beschreibungen, Daten und Fotos werden gern entgegengenommen.*

* Erteilen Sie AE in Ihrer E-Mail bitte die Erlaubnis, Ihre Informationen in einem der kommenden Newsletter zu veröffentlichen, und lassen Sie uns wissen, ob wir Ihren Namen nennen dürfen, oder ob Sie lieber anonym bleiben möchten.





Nie wieder um 2 Uhr morgens angerufen werden: Beseitigung der häufigsten Prozessprobleme


Plötzlicher Plasmaverlust, unerwartetes Auftreten von Pinholes und die schlagartige Verschlechterung der allgemeinen Schichtqualität sind die drei Hauptgründe, warum ein Verfahrenstechniker um 2 Uhr morgens angerufen werden könnte. In den folgenden Abschnitten werden häufige Ursachen für diese Phänomene genannt und es werden Lösungen vorgeschlagen, die hoffentlich dazu beitragen, den Prozess wieder zum Laufen zu bringen, bevor ein Telefonanruf erforderlich wird.

Plötzlicher Plasmaverlust

Die Wahl der Prozess-Stromversorgungsmethode ist häufig der Grund für einen plötzlichen Plasmaverlust. Falls Sie ein Verfahren wählen, das nicht regelmäßig die Spannung umkehrt, wie z.B. der einfache reaktive Gleichstrom-Modus, wird sich auf der Anode wahrscheinlich eine dielektrische Schicht bilden. Wenn sich diese Schicht bildet, können die Elektronen nicht mehr von der Kathode zur Anode übergehen. Die Impedanz nimmt zu, was wiederum einen Anstieg der Spannung zur Folge hat. Unter diesen Umständen nimmt die Lichtbogenbildung zu, die dann – falls nicht eingeschritten wird – soweit wächst, dass das Plasma verloren geht und der Prozess völlig zusammenbricht.

Wie kann man diese „Todesspirale“ der Lichtbogenbildung im Prozess verhindern? Beispielsweise könnten Sie ein Stromversorgungsverfahren wie Wechselstrom oder gepulsten Gleichstrom wählen. Für weitergehende Informationen zur Entscheidungsfindung siehe unsere Process Power Selection Matrix (Raster zur Auswahl des Stromversorgungsverfahrens) im „Sputter Spotlight“-Newsletter des 1. Quartals.

Weitere Ursachen für Plasmaverlust können schwache Magnete, Target-Material schlechter Qualität oder schlicht ein Stromausfall sein. Wenden Sie sich an Doug für Informationen zu weiteren Möglichkeiten und Abhilfen bei plötzlichem Plasmaverlust.

Pinholes

Hauptursache für Pinholes ist übermäßige Lichtbogenenergie. Falls bei Ihnen Pinholes auftreten, kann Ihre Stromversorgung entweder die niedrige gespeicherte Energie während des Auftretens von Lichtbögen nicht aufrechterhalten oder die Einstellung für die Handhabung von Lichtbögen ist falsch.

Die Fähigkeit, eine geringe gespeicherte Energie beizubehalten ist eine Eigenschaft des Stromversorgungsgeräts selbst. Suchen Sie also von vornherein eins aus, das möglichst wenig Energie speichert. Die Stromversorgungsgeräte von AE sind in der Prozess-Stromversorgungsbranche marktführend was ihre Fähigkeit angeht, extrem niedrige Niveaus von gespeicherter Energie aufrechtzuerhalten. Das Crystal AC-Stromversorgungssystem z.B. speichert nur 1 mJ pro kW.

Bei einigen Stromversorgungssystemen auf dem Markt ist die Einstellung der Lichtbogen-Handhabung so kompliziert, dass es fast vorteilhafter ist, diese Funktion schlicht zu deaktivieren, statt Zeit damit zu verschwenden, herauszubekommen, wie sie funktioniert bzw. das Risiko einzugehen, sie falsch einzustellen. Wählen Sie ein Stromversorgungssystem, bei der die Lichtbogenparameter leicht verständlich und einstellbar sind. Bei den Stromversorgungsgeräten von AE können Sie die Erfassungszeit, die Ausfallzeit und das Auslöseniveau problemlos einstellen.

Auch die Wahl der Prozess-Stromversorgungsmethode hat einen Einfluss auf das Auftreten von Pinholes. Für Anwendungen, bei denen es ausschlaggebend ist, Pinholes zu vermeiden, können Wechselstrom bzw. gepulster Gleichstrom eventuell hervorragende Ergebnisse liefern. Für weitergehende Informationen zur Entscheidungsfindung siehe unsere Process Power Selection Matrix (Raster zur Auswahl des Stromversorgungsverfahrens) im „Sputter Spotlight“-Newsletter des 1. Quartals.

Insgesamt mangelhafte Schichtqualität

Plötzlich einsetzende Probleme mit der Schichtqualität insgesamt werden meistens durch alte Targets, fehlerhafte Gas- bzw. Druckmessgeräte oder Vakuumkammerlecks verursacht.

Gegen Ende ihrer Nutzungsdauer tendieren planare Targets dazu, entlang der Racetrack-Rillen quer zu sputtern. Dies führt zu Molekülzusammenstößen im Plasma, was wiederum die Lichtbogenbildung verstärkt. Diese Zusammenstöße können auch zur Rück-Ablagerung auf der Gegenseite der Racetracks führen, was die Lichtbogenbildung noch weiter verstärkt. Dann eskaliert die Lichtbogenbildung noch weiter und kann eventuell den Prozess völlig überwältigen und damit beenden. Die Lösung ist diesem Fall der Austausch des Targets.

Racetrack erosion pattern

Muster im Sputter-Erosionsgraben

Eine Fehlfunktion des Gasdruckmessers führt zu einer falschen Gasmischung und wenn Ihr Gasdruckmesser ausfällt, kann der Druck über das gewünschte Niveau ansteigen. Bei zunehmendem Druck wird die aufgetragene Schicht poröser, weil die Zahl der Molekülzusammenstöße im Plasma zunimmt. In beiden Fällen sollten Sie Ihr Gas- bzw. Druckmessgerät auswechseln, um wieder eine gute Schichtqualität zu bekommen.

Vakuumkammerlecks sind ebenfalls häufig daran schuld, dass es Probleme mit der Schichtqualität gibt. Sie sollten also Ihre Kammer auf Lecks überprüfen.





Fragen Sie Doug!

Doug Pelleymounter photo

Treibt Sie Ihr Sputter-Prozess zur Weißglut?

Doug Pelleymounter, AEs leitender Anwendungsingenieur, blickt auf über 32 Jahre praktische Erfahrung mit allen möglichen problematischen Sputter-Anwendungen zurück. In dieser Kolumne hilft Ihnen Doug, Antworten auf Ihre Fragen zu schwierigen Anwendungen zu finden. Richten Sie Ihre Fragen oder Anmerkungen an: sputtering@aei.com.

  1. Was ist der Unterschied beim Einsatz planarer und drehbarer Targets?
  2. Wie beeinträchtigen die verschiedenen Erosionsmuster planarer und drehbarer Targets den Prozess während der Nutzungsdauer des Targets?
  3. Sie haben vorher erwähnt, dass im Allgemeinen gepulster Gleichstrom und Wechselstrom zu besseren Schichten führen als einfacher Gleichstrom. Worin genau besteht dabei der Unterschied der Schichtqualitäten?
  4. Wie kann ich meine Sputter-Rate optimieren?
  5. IIch habe gehört, dass eine aufkommende Technologie namens HPPMS extrem ebene und gleichförmige Schichten erzeugt, derzeit allerdings noch nicht verbreitet ist. Gibt es Alternativen, die ähnliche Ergebnisse mit verfügbaren Anlagen erreichen? 
  1. Was ist der Unterschied beim Einsatz planarer und drehbarer Targets?
    Die Antwort: Typischerweise können Sie 35 % eines planaren und 85 % eines drehbaren Targets nutzen. Diese Zahlen sind unabhängig von der Art der Stromversorgung bzw. vom eingesetzten Target-Material. Beachten Sie jedoch bitte, dass drehbare Kathoden nicht mit HF-Stromversorgung vereinbar sind. Im Allgemeinen werden drehbare Kathoden am besten bei Prozessen eingesetzt, die mit Wechselstrom, Gleichstrom oder gepulstem Gleichstrom betrieben werden.


  2. Wie beeinträchtigen die verschiedenen Erosionsmuster planarer und drehbarer Targets den Prozess während der Nutzungsdauer des Targets?
    Die Antwort: Obwohl planare und drehbare Targets unterschiedlich erodiert werden, gibt es eigentlich kaum einen Unterschied, wie Sie die Stromversorgung Ihres Prozesses über die Nutzungsdauer des Targets handhaben sollten. Bei drehbaren Targets nimmt die Dicke gleichmäßig ab und führt dazu, dass der Abstand zwischen Magneten und Targetoberfläche abnimmt. Dies führt zu einer Zunahme des Stroms und einer Abnahme der Spannung. Obwohl planare Targets ungleichmäßig erodiert werden, können Sie eine Abnahme des Stroms und eine Zunahme der Spannung beobachten.


  3. Sie haben vorher erwähnt, dass im Allgemeinen gepulster Gleichstrom und Wechselstrom zu besseren Schichten führen als einfacher Gleichstrom. Worin genau besteht dabei der Unterschied der Schichtqualitäten?
    Die Antwort: Die Fotos unten zeigen, dass der Unterschied in der Schichtqualität doch ganz erheblich ist.



    Film quality produced by straight-DC power

    Schichtqualität bei einfachem Gleichstrom (oben) gegenüber gepulstem Gleichstrom (unten)
    Quelle: Centre for Advanced Materials and Surface Engineering, University of Salford, Großbritannien.

    Film quality produced by pulsed-DC power





    Film quality produced by straight-DC power

    Schichtqualität bei einfachem Gleichstrom (oben) gegenüber Wechselstrom (unten)

    Film quality produced by AC power

  4. Wie kann ich meine Sputter-Rate optimieren?
    Die Antwort: Hier eine Ergänzung zum letzten „Fragen Sie Doug“, wo ich bereits die Frage „Welche Sputter-Raten kann ich erreichen?“ beantwortet habe.

    Die allgemeine Faustregel lautet: je niedriger der Druck, umso besser die Rate und Schichtqualität, weil es weniger Molekülzusammenstöße im Plasma gibt und eine größere freie Weglänge im Plasma (die Fähigkeit gesputterter Teilchen, vom Target aus das Substrat zu erreichen). Sputtern Sie also bei kleinstmöglichem Druck, aber vermeiden Sie natürlich gleichzeitig, in die Situation des Gasmangels zu geraten, der Ihrem Stromversorgungssystem Probleme bereiten kann. (siehe Bewertung der Qualität des Stromversorgungssystems weiter oben.), der das Substrat aufheizt und die Schichtqualität beeinträchtigt. Abgeglichene Magnetrons fokussieren die freie Weglänge, was Ihrer Sputter-Rate nützt, insbesondere, wenn der Abstand zwischen Kathode und Substrat groß ist.

    Zweitens können Sie mithilfe eines Gaussmeters Ihre Magnetrons abgleichen. Schlecht abgeglichene Magnetrons weiten die freie Weglänge im Plasma und führen zu einem Elektronenüberschuss.
    Unbalanced magnetrons



    Nicht abgeglichene Magnetrons (oben) gegenüber abgeglichene Magnetrons (unten)




    Balanced magnetrons

    Drittens: Prüfen Sie die Stärke Ihrer Magnete. Mit wachsender Magnetstärke wird auch die freie Weglänge im Plasma größer. Was man allerdings beachten sollte, ist, dass dies zwar zu einer größeren Sputter-Rate und Schichtdichte führt, dass stärkere Magnete aber auch die Erosionsspur in Ihrem Target vertieft und somit dessen Verwendung einschränkt.

    Nach all dem ist klar, dass es sich bei der Sputter-Rate um ein komplexes, vielschichtiges Thema handelt. Zögern Sie bitte nicht, mich unter sputtering@aei.com anzusprechen, falls Sie Rat für eine spezifische Situation brauchen.

  5. Ich habe gehört, dass eine aufkommende Technologie namens HPPMS extrem ebene und gleichförmige Schichten erzeugt, derzeit allerdings noch nicht verbreitet ist. Gibt es Alternativen, die ähnliche Ergebnisse mit verfügbaren Anlagen erreichen?
    Die Antwort: Sie haben Glück! Es gibt in der Tat ein leicht zugängliches Verfahren, das Ihnen ein vergleichbares Maß an Planheit bietet, wie die HPPMS-Technologie (High-Power, Pulsed Magnetron Sputtering). Bei diesem Verfahren werden zwei Prozess-Stromversorgungsmethoden kombiniert: HF und gepulster Gleichstrom. Der weitere Vorteil ist, dass es, obwohl die Methode selbst relativ neu ist, HF-überlagerten, gepulsten Gleichstrom schon lange genug gibt, sodass dazu schon eine Reihe von Informationen entwickelt und verfügbar gemacht wurde. Siehe AEs power supply selection matrix sowie unsere Anwendungshinweise Arc Handling in RF-Superimposed DC Processes für Einzelheiten dieses Verfahrens.