knowledge generating Hintergrund: Entstehen von Arcs beim MF-Magnetronsputtern TRUMPF Hüttinger White Paper 04/2015

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1 generating knowledge ARC-Behandlung Hintergrund: Entstehen von Arcs beim MF-Magnetronsputtern Abb. 1: Mikroskopisches Modell zur Entstehung von kathodischen Arcs [2]. Abb. 2: Verlauf von MF-Strom und -Spannung im Übergang zum kathodischen (etwa 3,99ms) und zum thermionischen Arc (etwa 4,14ms). Keine Arc-Behandlung. Abb. 3: Thermionischer Arc zwischen zwei Magnetron- Rohrkathoden mit stabilen Fußpunkten und Materialabtrag, sichtbar als Funkenspuren. Keine Arc-Behandlung. Ein bekanntes Problem beim Reaktivsputtern ist das Auftreten von Bogenentladungen Arcs auf den Magnetrons. Dies hat zwei primäre Ursachen: (1) Das Magnetron-Plasma wird bei hohen Stromdichten betrieben, so dass ein Übergang von der anomalen Glimmentladung zur Bogenentladung wahrscheinlich ist. (2) Durch das Reaktivgas Sauerstoff oder Stickstoff ist die Kathodenoberfläche nie rein metallisch, sondern teilweise oder vollständig von adsorbiertem Gas bedeckt. Eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche (Oxid, Nitrid) begünstigt den Übergang von einer homogenen Glimmentladung zum Lichtbogen mit örtlich sehr hohen Stromdichten. Dies ist schon aus frühen Untersuchungen zur Plasmaphysik bekannt [1]. Die Eigenschaften eines Arcs sind primär durch Prozesse an dem Fußpunkt auf der Kathode bestimmt. Der erste Schritt in der Entstehung eines Arcs ist der lokale Zusammenbruch des Kathodenfalls durch lokal hohe Stromdichte, dies ist ein extrem nichtstationärer und sich selbstverstärkender Prozess. Ein anschauliches mikroskopisches Modell zur Arc-Entstehung ist in Abb. 1 dargestellt. Der anfängliche Fußpunkt ist im linken Bild als Spitze dargestellt, wie sie am Rand eines früheren Arc-Kraters vorliegen kann. Er könnte aber auch an irgendeiner Materialinhomogenität entstehen, wie z.b. ein oxidierter Fleck oder ein Fremdkörper auf der Kathode. Am Fußpunkt kommt es nicht nur zur Emission von Elektronen durch die Feldüberhöhung, sondern durch das Temperatur- und Druckgefälle auch zum Auswurf von ionisiertem Kathodenmaterial. Auf Grund der hochgradig nichtstationären Eigenschaften kann ein Arc sich sehr unterschiedlich entwickeln: Ein kathodischer Arc zeichnet sich durch häufiges Verlöschen und Neuzünden des Kathoden-Fußpunktes aus. Deshalb verlöscht er oft selbständig durch den Polaritätswechsel der MF- Spannung, so dass es zu einem kurzzeitigen Stromanstieg mit gleichzeitigem Zusammenbrechen der Kathodenspannung kommt, gefolgt von einer Rückkehr zum Normalzustand in den nächsten Perioden. Der Arc kann aber auch, wie in Abb. 2 gezeigt, mit jeder Halbwelle wiederzünden und schließlich stabile heiße Fußpunkte ausbilden. Dies führt zu einem Übergang von einem kathodischen zu einem thermionischen Arc. Es bildet sich also ein leitfähiger Plasmakanal mit ortsfesten Fußpunkten, an denen das Kathodenmaterial aufschmilzt und verdampft (Abb. 3).

2 Anforderung an den Plasmagenerator: Erkennen und Löschen von Arcs Abb. 4: Beispiel für einen instabilen Prozesszustand (Al planar, O 2 ). Rot, braun: Kathodenspannungen, blau: Strom. Die Aufgabe einer Arc-Behandlung stellt einige Herausforderungen an den Plasmagenerator: (1) Der Stromanstieg oder das Zusammenbrechen der Kathodenspannung muss möglichst frühzeitig und zuverlässig erkannt werden, im Beispiel von Abb. 2 sollte dies bei 3,99ms erfolgen; (2) der Plasmagenerator muss sehr schnell, vorzugsweise innerhalb weniger µs die Ausgangsleistung abschalten und (3) innerhalb weniger Halbwellen (< 100µs) wieder volle Leistung erreichen. Damit ergeben sich zwei wichtige Parameter für die Arc-Behandlung: die Erkennungszeit, also die Zeit vom Zünden des Arcs, erkennbar am ersten Abfallen der Kathodenspannung und Stromanstieg, bis zum internen Triggersignal Arc erkannt und zweitens die Reaktionszeit, bis der Leistungsteil abschaltet. Eine zuverlässige Arc-Erkennung muss nicht nur schnell sein, sie darf auch weder Arcs übersehen, noch darf sie eine plötzliche Veränderung der Target-Impedanz fälschlich als Arc interpretieren. In der Praxis wird dies durch die starke Verzerrung der Signalformen von Strom und Spannung bei unterschiedlichen Prozesszuständen erschwert. Es treten mitunter hochfrequente Schwingungen auf, diese hängen möglicherweise mit einer Plasmawellenbildung im Racetrack zusammen [3]. Auch kann Target-Bedeckung und Impedanz sich innerhalb weniger Halbwellen ändern. Ein praktisches Beispiel eins instabilen Verlaufs von Targetspannung und -strom ist in Abb. 4 dargestellt. Abb. 5: Echtzeit-Erkennung eines Arcs durch Vergleich des Spannungsverlaufs mit dem Verlauf der vorherigen Periode. Intelligente Arc-Erkennung in Echtzeit Der Schlüssel zu einer schnellen und zuverlässigen Arc-Erkennung in den neuen Geräten der TruPlasma MF Serie 7000 (G2) ist die Echtzeit- Datenerfassung und -verarbeitung. Wie Abb. 5 zeigt, wird aus der vorangegangenen Halbwelle gleicher Polarität eine Referenz gebildet (rot in Abb. 5), die um die Parameter Spannungsabstand und Zeitabstand gegenüber dem eigentlichen Signal verschoben ist. Das Signal der aktuellen Kurvenform (blau in Abb. 5) wird mit dieser Referenz verglichen, so dass das Zusammenbrechen der Kathodenspannung oder ein Ansteigen des Stroms (nicht gezeigt) sofort erkannt werden kann Arc erkannt [4,5]. Für den Fall einer starken und schnell veränderlichen Verzerrung der Signalform durch das Plasma, die einen direkten Vergleich der Kurvenformen verhindert, stehen weitere Erkennungsmethoden zur Verfügung. Diese lösen nach Erkennung ebenfalls während oder unmittelbar nach der betroffenen Halbwelle eine Behandlung aus.

3 Abb. 6: Gemessene Arc-Rate für unterschiedliche Einstellungen der Arc-Erkennungsparameter Spannungsabstand und Zeitabstand. Die tatsächliche Arc-Rate lag bei 2 3/s, höhere Werte sind eine Folge von Fehlerkennungen bei zu empfindlichen Einstellungen. Abb. 7: Einfluss des gewählten Spannungsabstand auf die Detektionszeit. Target Si(Al). Zeitabstand war 1µs. Zur Arc-Erkennung in der Startphase des Generators stehen naturgemäß noch keine Vergleichswerte zur Verfügung, so dass eine absolute Maximalgrenze für den Spitzenstrom gesetzt werden muss. Typischerweise vergehen zwischen dem ersten Zusammenbrechen der Kathodenspannung bzw. Stromanstieg bis zur internen Arc-Erkennung weniger als eine µs. Zum Auffinden geeigneter Werte für die Behandlungsparameter Spannungsabstand und Zeitabstand kann die scheinbare Arc- Rate herangezogen werden. Ist einer der beiden Werte zu empfindlich eingestellt, nimmt die im Zähler angezeigte Arc-Rate durch Fehlerkennungen deutlich zu. Diese scheinbare Arc-Rate für verschiedene Kombinationen von Spannungsabstand und Zeitabstand ist in Abb. 6 dargestellt. Die tatsächliche Arc-Rate ist in dem Beispiel 2 3 Arcs/s. Die tatsächlichen Einstellwerte sind relativ unkritisch: Wie Abb. 7 und 8 zeigen, hängt die Zeit zwischen erstem Zünden bis zum Erkennen des Arcs nur geringfügig von den eingestellten Werten für Spannungsabstand und Zeitabstand ab. So sind in dem in Abb. 7 gezeigten Beispiel Werte von 50 bis 200V für Spannungsabstand mit nur geringer Erhöhung der Detektionszeit möglich. Ähnlich verhält es sich bei der Wahl von Zeitabstand in Abb. 8. Abb. 8: Einfluss des gewählten Zeitabstand auf die Detektionszeit. Target Si(Al). Spannungsabstand war 100V. Ultraschnelle Arc-Austastung, minimale Beeinträchtigung des Prozesses Zur schnellstmöglichen Austastung von Arcs stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: Abb. 9: Signalverlauf bei Arc-Behandlung FastTreatment. Ausschwingen des Plasma und Wiederanlaufen. Abb. 10: Beispiel für den Signalverlauf bei der Behandlungsmethode FastTreatment, wenn der Arc wiederzündet während der Strom abklingt. (1) FastTreatment : Die Energiezufuhr in den Ausgangsschwingkreis wird unterbrochen, so dass lediglich die darin gespeicherte Energie an das Plasma abgegeben werden kann. Ein Beispiel ist in Abb. 9 gezeigt. In diesem Fall kommt auch das Selbstverlöschen der Arcs bei Polaritätswechsel zum Tragen, so dass der Arc oft nur bis zum Ende der Halbwelle bestehen bleibt. In den folgenden Halbwellen liegt der Kathodenfall wieder an, ein Zeichen für das Verlöschen des Arcs. Da die Arcs überwiegend während der 2. Hälfte der Halbwelle zünden, bedeutet das, dass ein Arc bei Betriebsfrequenzen von 25 70kHz nach typisch 3 10µs gelöscht werden kann. Damit ist schon eine schnelle Arc-Behandlung erreicht. Allerdings besteht das Risiko des Wiederzündens während der Schwingkries ausklingt. In so einem Fall ergeben sich weitere Stromspitzen, wie in Abb. 10 gezeigt. (2) UltrafastTreatment : Durch einen Schalter im Ausgangskreis kann zusätzlich die Stromzufuhr in das Plasma unterbrochen werden und die Energie des Ausgangskreises abgeführt werden. Das Eingrei-

4 Abb. 11: Signalverlauf bei Arc-Behandlung Ultrafast- Treatment. Der Strom wird innerhalb von 3µs abgeschaltet und erreicht nach 50µs wieder seinen Sollwert. fen des Schalters erfolgt typischerweise 1,5 2µs nach dem Beginn der Arc-Zündung bzw. 0,8 1,3µs nach der internen Arc-Erkennung. Ein Beispiel ist in Abb. 11 gezeigt. Vor allem die schnelle Erkennung in Verbindung mit der Funktion UltrafastTreatment verhindert jegliches Aufheizen der Fußpunkte und erlaubt damit ein Wiederanlaufen des Generators nach 20 50µs ohne Wiederzünden des Arcs. Damit ist auch bei hohen Arc- Raten ein Betrieb ohne merklichen Verlust der mittleren Leistung und Abscheiderate sowie ohne die mögliche Drift des Arbeitspunktes gewährleistet. Eine Gegenüberstellung der gemessenen Reaktionszeiten von FastTreatment und UltrafastTreatment ist in Abb. 12 als Funktion des Zeitpunktes der Arc-Zündung nach Nulldurchgang dargestellt. Die Zeit bis I = 0A entspricht bei FastTreatment der Zeit bis zum Ende der Halbwelle bzw. zum nächsten Polwechsel, wenn der Arc nicht wiederzündet wie in Abb. 10 gezeigt. Arc-Energie Abb. 12: Vergleich der Zeiten zur Arc-Behandlung ohne Schalter ( FastTreatment ) und mit Schalter ( Ultrafast- Treatment ). Si(Al) Rohrtargets, 100kW reaktiv (O2), 38kHz. Blau: Zeit von Zünden des Arc bis Beginn der Stromabschaltung bei UltrafastTreatment bzw. bis Strom-Maximum bei FastTreatment ; rot: Zeit von Zünden bis I = 0A. Abb. 13: Arc-Energie bei TiO x -Rohrtargets für 20, 50 und 120kW Generatorleistung. Die Energie hängt vor allem von dem Zündzeitpunkt während der Halbwelle ab. Wird die abgegebene Leistung nach dem Zünden des Arcs auf-integriert, so lässt sich die in den Arc abgegebene Energie bestimmen. Dabei ergeben sich einige Fehlerquellen: (1) Strom und Spannung müssen möglichst dicht am Target und nicht im Generator gemessen werden, da durch Signallaufzeit und Schwingungen auf dem Anschlusskabel das Ergebnis sonst unbrauchbar wird. (2) Der Übergang von Glimm- in Bogenentladung ist sicherlich nicht scharf, während dem Zusammenbruch des Kathodenfalls wird noch ein Teil der Leistung in der Glimmentladung aufgenommen. Der einsetzende Zusammenbruch des Kathodenfalls und Stromanstieg ist jedoch der einzige objektiv messbare Zeitpunkt für den Arc-Beginn. Die Integration ab dem Zündmoment stellt also eine Obergrenze für die tatsächliche Arc-Energie dar. (3) Dauert es mehr als eine Halbwelle, bis Strom und Spannung Null sind, muss anhand der Signalform jeder Halbwelle entschieden werden, ob bei Polaritätswechsel der Arc wieder gezündet hat wie in Abb. 2 und 10, oder ob der Kathodenfall der regulären Glimmentladung wieder ansteht wie in Abb. 9 und damit der Arc bei Polaritätswechsel erloschen ist. Die Arc-Energie hängt nur wenig von der tatsächlichen Generatorleistung ab, wie das Beispiel in Abb. 13 zeigt. Eine Leistungsänderung um den Faktor 6 führt hier nur zu einer Verdopplung der Arc-Energie. Gelegentlich wird die Arc-Energie im Verhältnis zur Ausgangsleistung spezifiziert [7]. Tatsächlich ist ein Arc ein Ereignis, dessen Strom- und Energiedichte weitgehend von den physikalischen Vorgängen in dem Lichtbogen und nur bedingt von der Ausgangs- oder Nennleistung des Generators abhängt. Die Arc-Energie / Leistung (üblicherweise in mj/kw angegeben, also in µs) ist deshalb als spezifizierte Kenngröße

5 des Generators nur bedingt geeignet, entscheidend ist die Erkennungs- und Reaktionszeit des Generators. Bezogen auf die Nennleistung von 150kW des für die Ergebnisse in Abb. 12 verwendeten Generators sind normierte Arc-Energien im Bereich von 1mJ/kW Nenn sicher erreichbar. Arc-Raten Abb. 14: Beispiel häufiger Arc-Austastung mit UltrafastTreatment. Innerhalb von 300µs wurde drei Mal ausgetastet (horizontales Raster = 50µs). Der Generator kann maximal ca Arcs pro Sekunde löschen. Dies ist erforderlich, wenn, wie in Abb. 14 gezeigt, beim Wiederanlaufen nach einer Austastung sofort erneut ein Arc zündet. Dabei sind jedoch gewisse Einschränkungen zu beachten: Kurzzeitig ist das bei stark arcenden Targets nötig, z.b. 8 Arcs in 1ms. Wird der Generator in der Nähe der Leistungsgrenze betrieben ist das aber auch nur kurzzeitig praktikabel und sinnvoll: bei dauerhafter Austastung von 8 Arcs/ms steht zu wenig mittlere Leistung dem Prozess zur Verfügung um diesen stabil zu führen. Der Verlust an mittlerer Ausgangsleistung bei hohen Arc-Raten ist in Abb. 15 als Funktion der Austastzeit prinzipiell dargestellt. Der Vorteil kurzer Austastzeiten ist hier unmittelbar erkennbar. Langanhaltende Arc-Kaskaden, die einen stabilen Betrieb verhindern versucht der Generator durch eine Pausenverlängerung nach wiederholten Austastungen zu stoppen. Abb. 15: Relativer Verlust an mittlerer Ausgangsleistung als Funktion der Arc-Rate und der Austastzeit. Besonders bei hohen Arc-Raten bietet die Funktion UltrafastTreatment einen wesentlichen Vorteil, bei hohen Ausgangsströmen ermöglicht sie durch das schnelle und kurze Austasten einen wesentlich ruhigeren Betrieb bei Arc-Raten im Bereich von 500/s. Wegen der hohen Arc-Neigung stark abgenutzter Targets ergibt sich damit ein wesentlicher Kostenvorteil durch die bessere Targetausnutzung. Diese sehr schnelle Arc-Behandlung hat eindeutige Vorzüge gegenüber der langsameren Behandlung anderer Generatoren, in der dann die während der Austastung fehlende Leistung durch eine vorübergehende Sollwertüberhöhung kompensiert werden muss. technischer Fortschritt Die hier beschriebenen Methoden sind die konsequente Weiterentwicklung unserer bewährten Technologie aus der Flachbildschirm- Fertigung. Durch die ultraschnelle Arc-Erkennung und den robusten Arc-Schalter der UltrafastTreatment -Funktion steht die Technologie nun auch im hohen Leistungsbereich und damit für die Beschichtung von Architekturglas zur Verfügung.

6 [1] A. Anders Cathodic Arcs (Springer, 2008) [2] R. Behrisch, Surface Erosion by Electric Arcs, in Physics of Plasma-Wall Interactions in Controlled Fusion (Springer 1986) pp [3] M. Siemers, A. Pflug, B. Szyszka, Particle-in-cell Monte Carlo analysis of propagating plasma waves in DC magnetron discharges 52 nd SVC Annual TechCon Proc., (2009) pp [4] Patent angemeldet [5] P. Wiedemuth, R. Merte, U. Richter, and M. Bannwarth Next Generation of Mid-Frequency Power Supplies for Plasma Applications, 55 th SVC Annual TechCon Proc., (2012) pp [6] D. Ochs, P. Wiedemuth, Th. Rettich Modern DC and MF power supplies for leading edge large area coating 50 th SVC Annual TechCon Proc., (2007) pp [7] H.V. Walde, D.J. Christie, S. Kovacevic, and F.G. Tomasel, Advances in Power Supplies for High Arc Rate Applications 55 th SVC Annual TechCon Proc., (2012) pp Autor n Dr. M. Heintze Copyright Hell und transparent: TRUMPF Hüttinger Hauptsitz in Freiburg / Deutschland Alle Rechte vorbehalten. Kein Nachdruck und Vervielfältigung ohne schriftliche Genehmigung. TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG Bötzinger Straße 80, D Freiburg Telefon: Fax: Info.Elektronik@de.trumpf.com