2549496,2549496,
La présente invention se rapporte d'une façon The present invention relates in a way
générale à un appareil et un procédé de commande de dépôt d'un revêtement par pulvérisation et concerne plus particulièrementun appareil et un procédé de revêtement par 5 pulvérisation dans lesquels l'impédance d'un plasma est contrôlée. In general, the apparatus and method of controlling spray coating deposition is directed to a spray coating apparatus and method in which the impedance of a plasma is controlled.
Les dispositifs modernes de revêtement par pulvérisation sont généralement du type à magnétron, comprenant une cathode cible, une anode et un plasma contenant des ions charges positivement qui bombardent une surface de la cible Sous l'effet du bombardement, des atomes sont projetés depuis la surface et se propagent vers un substrat pour le revêtir Le plasma est formé par des électrons d'ionisation qui se déplacent entre la cathode et l'anode, dans un gaz inerte Les électrons d'ionisation ont tendance a être confinés à proximité de la surface d'émission de la cible par un champ magnétique avec des lignes de forces voisines de la surface d'émission de la cible Le champ magnétique de confinement est perpendicu20 laire aux lignes de forces voisines de la surface d'émission de la cible Le champ magnétique de confinement est perpendiculaire aux lignes de forces d'un champ électrique entre l'anode et la cathode La relation perpendiculaire entre le champ électrique et le champ magnétique 25 produit un effet de magnétron, sous la forme de mise en spirale de particules chargées dans le voisinage de la cible. La cible a tendance à s'éroder sous l'effet du bombardement par les ions dans le plasma L'érosion de la 30 cible n'est pas uniforme; elle est fonction de la position de la surface de la cible par rapport à une position déterminée dans le plasma L'érosion non uniforme de la matière de la cible modifie la trajectoire de la matière projetée de la cible vers le substrat Ainsi, le profil de la matière pulvérisée, déposée sur le substrat, change en fonction du temps pendant lequel une cible particulière Modern spray coating devices are generally of the magnetron type, including a target cathode, anode and a plasma containing positively charged ions that bombard a surface of the target. Under the effect of bombardment, atoms are projected from the surface. The plasma is formed by ionization electrons that move between the cathode and the anode in an inert gas. The ionization electrons tend to be confined to the surface of the substrate. emission of the target by a magnetic field with lines of forces close to the emission surface of the target The magnetic confinement field is perpendicular to the lines of forces close to the emission surface of the target The magnetic field of confinement is perpendicular to the lines of forces of an electric field between the anode and the cathode The perpendicular relationship between the electric field and the The magnetic field 25 produces a magnetron effect, in the form of spiraling of charged particles in the vicinity of the target. The target tends to erode under the effect of ion bombardment in the plasma Erosion of the target is not uniform; it is a function of the position of the surface of the target relative to a determined position in the plasma The non-uniform erosion of the material of the target modifies the trajectory of the projected material from the target towards the substrate Thus, the profile of the target the pulverized material deposited on the substrate changes as a function of the time during which a particular target
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est utilisée.is used.
I 1 a déjà été établi que le profil de la matière pulvérisée, déposée sur le substrat est fonction -duprofil d'érosion de la cible qui, à son tour, est fonc5 tion de l'impédance du plasma Il a aussi été établi que, dans une certaine mesure, des variations du profil peuvent être compensées en changeant l'impédance du plasma Il est connu que l'impédance du plasma est fonction de ( 1) la géométrie de l'appareil de revêtement par pulvérisation, ( 2) 10 des caractéristiques du gaz inerte, par exemple de la pression du gaz, de son potentiel d'ionisation, de sa contamination, et ( 3) de l'intensité et la géométrie du champ magnétique Il a été généralement supposé dans la technique antérieure que la géométrie de revêtement par pulvérisation 15 était constante Dans la technique antérieure, la pression du gaz inerte était contrôlée pour compenser des variations prévues du profil de la matière pulvérisée, associées avec It has already been established that the profile of the pulverized material deposited on the substrate is a function of the erosion profile of the target which, in turn, is a function of the impedance of the plasma. It has also been established that to some extent, variations in the profile can be compensated for by changing the plasma impedance. It is known that the plasma impedance is a function of (1) the geometry of the spray coating apparatus, (2) characteristics of the inert gas, for example gas pressure, its ionization potential, its contamination, and (3) the intensity and geometry of the magnetic field. It has generally been assumed in the prior art that geometry In the prior art, the pressure of the inert gas was controlled to compensate for expected variations in the profile of the pulverized material associated with
l'érosion de la cible L'intensité et la géométrie du champ magnétique par rapport à la base de la cible variait d'une 20 manière non contr 8 ôlée. Erosion of the target The intensity and geometry of the magnetic field relative to the base of the target varied in a non-controlled manner.
Il a aussi été suggéré, dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique N 4 166 783 qu'une compensation du vieillissement et dela détérioration de la cible pouvait être contrôlée par un calculateur réagissant à des informa25 tions de vitesses de dép Ot voulues pour commander une décharge dans le plasma Le calculateur règle le fonctionnement d'un système en boucle fermée dans lequel la puissance dissipée par une source d'excitation du plasma est contrôlée à partir du courant prélevé à la cathode et de la tension 30 cathode-anode La puissance dissipée dans la décharge de pulvérisation est corrigée pour maintenir la vitesse de dépôt voulue à partir de la cathode cible Le calculateur vérifie une indication sur le passé cumulatif de la cible pour mettre à jour périodiquement la correction La vitesse 35 de dépôt voulue est obtenue d'informations fournies indépendemment au calculateur Ce dernier détermine un niveau de vitesse de dépôt de référence auquel l'opération est stabilisée Le calculateur détermine à partir de critères It has also been suggested in U.S. Patent No. 4,166,783 that compensation for aging and damage to the target could be controlled by a computer responsive to rate of change information to control plasma discharge The computer regulates the operation of a closed-loop system in which the power dissipated by a plasma excitation source is controlled from the current drawn at the cathode and from the cathode-anode voltage. The power dissipated In the sputter discharge is corrected to maintain the desired deposition rate from the target cathode. The computer verifies an indication of the cumulative past of the target to periodically update the correction. The desired deposition rate is obtained from information. This calculator determines a reference depot speed level at which the operation is stabilized The calculator determines from criteria
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objectifs basés sur l'expérience avec une cible d'un type particulier, le moment o la fin de la durée objectives based on experience with a target of a particular type, the time when the end of the duration
utile d'une cathode cible particulière est atteint. Usefulness of a particular target cathode is achieved.
Bien que les systèmes antérieurs fonctionnent de façon satisfaisante jusqu'à une certaine mesure, certains perfectionnements peuvent être apportés en contrôlant le processus de revêtement par pulvérisation à magnétron, particulièrement dans le cas de commande 10 automatique Selon le brevet précité, pour corriger l'érosion de la cathode, il est supposé que la vitesse voulue du dépôt, la durée pendant laquelle la cathode doit être utilisée, la puissance appliquée au plasma et la pression de ce dernier sont liés pour contrôler la 15 puissance appliquée à la cathode mais il n'y a aucun contrôle direct en boucle fermée de l'impédance du plasma bien qu'il soit connu que cette impédance change avec l'érosion en raison des variations de position et de géométrie du champ magnétique par rapport à la surface de cible érodée Dans de nombreux cas, il est souhaitable de prévoir un contrôle direct de l'impédance du plasma en raison des variations associées avec la pression du gaz inerte et avec l'intensité et la configuration du champ magnétique. Le champ magnétique présente une tendance particulière à changer pendant l'utilisation normale quand la cible est faite d'une matière magnétique, c'est-à-dire une matière ayant une haute perméabilité magnétique Des cibles magnétiques sont couramment utilisées pour différentes 30 raisons dont l'une est de faciliter la fabrication des mémoires à disques magnétiques ayant une très haute densité de données Pour contrôler avec précision l'épaisseur et l'uniformité des matériaux magnétiques déposés sur des substrats non magnétiques, généralement en aluminium qui 35 sont utilisés pour les mémoires à disques magnétiques, il Although prior systems work satisfactorily to a certain extent, certain improvements can be made by controlling the magnetron sputtering coating process, particularly in the case of automatic control. According to the aforementioned patent, to correct erosion. From the cathode, it is assumed that the desired rate of deposition, the time during which the cathode is to be used, the power applied to the plasma and the pressure of the latter are related to control the power applied to the cathode but it does not. there is no direct closed-loop control of the impedance of the plasma although it is known that this impedance changes with erosion due to the variations of position and geometry of the magnetic field with respect to the eroded target surface. In many cases, it is desirable to provide direct control of the plasma impedance because of the associated variations with c the pressure of the inert gas and the intensity and configuration of the magnetic field. The magnetic field has a particular tendency to change during normal use when the target is made of a magnetic material, i.e. a material having a high magnetic permeability Magnetic targets are commonly used for various reasons including one is to facilitate the manufacture of magnetic disk memories having a very high data density. To accurately control the thickness and uniformity of magnetic materials deposited on non-magnetic substrates, usually aluminum, which are used for magnetic disk memories, it
est extrêmement important de contrôler la manière dont la matière de la cible s'érode, pour assurer l'uniformité du dépôt sur le substrat pendant toute la durée de la cible. It is extremely important to control how the target material is eroded, to ensure uniformity of deposition on the substrate for the duration of the target.
4 2549496 hi Le profil de dép Ot de la matière pulvérisée sur le substrat peut être maintenu uniforme quand la cible s'érode, uniquement en contrôlant l'impédance du plasma à moins que des moyens compliqués et coûteux soient utilisés pour manipuler les substrats pendant le dépôt Le contrôle de l'impédance du plasma d'une cible magnétique est compliqué car le matériau magnétique affecte l'intensité et la forme du champ magnétique de The deposition profile of the sputtered material on the substrate can be maintained uniformly as the target erodes, only by controlling the impedance of the plasma unless complicated and expensive means are used to manipulate the substrates during the process. deposition The control of the impedance of the plasma of a magnetic target is complicated because the magnetic material affects the intensity and shape of the magnetic field of
confinement La cible magnétique a tendance à représenter 10 une dérivation à réductance variable pour le champ magnétique. Containment The magnetic target tends to represent a variable reductance bypass for the magnetic field.
La réluctance d'un circuit magnétique contenant la cible magnétique a tendance à changer en fonction de la température de la cible et de son érosion Lorsqu'une cible de perméabilité magnétique relativement élevée est mise en place initialement et maintenue à peu près à la température ambiante, elle n'a qu'une très faible réluctancemagnétique de sorte que virtuellement tout le champ magnétique qui lui est appliqué passe par la cible et le champ de fuite au voisinage est relativement faible Quand la température d'une telle cible augmente, sa perméabilité magnétique a tendance à diminuer sous l'effet du point de Curie La diminution de perméabilité magnétique due à l'effet du point de Curie est un phénomène progressif, par 25 lequel la perméabilité diminue comme une fonction continue quand la température augmente jusqu'à ce qu'une certaine température soit atteinte pour laquelle la perméabilité The reluctance of a magnetic circuit containing the magnetic target tends to change depending on the temperature of the target and its erosion When a relatively high magnetic permeability target is initially set up and maintained at approximately room temperature it has only a very weak magnetic reluctance so that virtually all the magnetic field applied to it passes through the target and the leakage field in the vicinity is relatively weak When the temperature of such a target increases, its magnetic permeability tends to decrease under the effect of the Curie point The decrease in magnetic permeability due to the effect of the Curie point is a progressive phenomenon, whereby the permeability decreases as a continuous function when the temperature increases until a certain temperature is reached for which the permeability
magnétique de la cible décroit virtuellement jusqu'à zéro. Magnetic target decreases virtually to zero.
Quand la cible s'érode, sa section diminue ce qui entraîne 30 une augmentation de l'induction magnétique, c'est-à-dire que B = augmente parce que A diminue, A o B est l'induction magnétique dans la cible, + est le flux magnétique total appliqué à la cible et A est la section de la cible par laquelle passe le As the target erodes, its section decreases resulting in an increase in magnetic induction, that is, B = increases because A decreases, A o B is the magnetic induction in the target, + is the total magnetic flux applied to the target and A is the section of the target through which the
flux magnétique.magnetic flux.
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Les effets du point de Curie et de l'érosion modifient matériellement la nature du champ magnétique de combinement au voisinage de la cible Quand la température de cette dernière augmente, entraînant une diminution de sa perméabilité magnétique, sa réluctance augmente; quand la réluctance de la cible augmente, il se produit une augmentation du champ de fuite dans son voisinage D'une façon similaire, la diminution de la section de la cible accompagnant son érosion entraîne une augmentation de sa réluctance avec l'augmentation du champ de fuite dans son voisinage Quand le champ de fuite au voisinage de la cible augmente, le plasma à proximité de la surface d'émission de la cible est confiné dans une plus large mesure, c'est-à-dire dans un plus petit volume car le champ magnétique passant par la cible The effects of the Curie point and erosion materially modify the nature of the magnetic field of combination near the target When the temperature of the latter increases, resulting in a decrease in its magnetic permeability, its reluctance increases; when the reluctance of the target increases, there is an increase of the leakage field in its vicinity. In a similar way, the decrease of the section of the target accompanying its erosion causes an increase in its reluctance with the increase of the field of leakage in its vicinity When the leakage field in the vicinity of the target increases, the plasma near the emission surface of the target is confined to a greater extent, ie in a smaller volume because the magnetic field passing through the target
diminue Ainsi, l'impédance du plasma varie. Thus, the impedance of the plasma varies.
Un objet de l'invention est donc de proposer un procédé et un appareil pour commander un appareil à An object of the invention is therefore to propose a method and an apparatus for controlling an apparatus for
magnétron dedépôt de revêtement par pulvérisation. magnetron deposition of spray coating.
Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé et un appareil de commande d'un appareil à magnétron de dépôt de revêtement par pulvérisation comprenant une cible qui s'érode lorsqu'elle est utilisée pendant Another object of the invention is to provide a method and apparatus for controlling a spray coating deposition magnetron apparatus comprising a target which erodes when used during
le dépôt.the deposit.
Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé et un appareil pour commander un appareil à magnétron de dépôt de revêtement par pulvérisation dans Another object of the invention is to provide a method and apparatus for controlling a magnetron spray coating deposition apparatus in
lequel la tendance à variation de la distribution des atomes sur un substrat de cible lorsque cette dernière s'érode est 30 compensée de manière à être pratiquement éliminée. wherein the tendency to vary the atom distribution on a target substrate as the latter is eroded is compensated for substantially being eliminated.
Un autre objet de l'invention est de proposer un appareil et un procédé de commande d'un appareil de revêtement par pulvérisation à magnétron pour déposer des Another object of the invention is to provide an apparatus and a method for controlling a magnetron sputtering coating apparatus for depositing
matériaux magnétiques sur un substrat. magnetic materials on a substrate.
Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé et un appareil pour commander un appareil de dépôt de revêtement par pulvérisation à magnétron de manière à compenser la tendance de la-cathode cible magnétique de changer les caractéristiques du champ Another object of the invention is to provide a method and apparatus for controlling a magnetron sputtering coating deposition apparatus so as to compensate for the tendency of the magnetic target cathode to change the characteristics of the field.
magnétique de confinement quand la cible s'érode. magnetic confinement when the target is eroding.
Un autre objet de l'invention est de proposer un appareil et un procédé de compensation de la tendance de variation de la courbe de réluctance de cathode cible magnétique d'un appareil de dépôt de revêtement par Another object of the invention is to propose an apparatus and a method for compensating for the variation tendency of the magnetic target cathode reluctance curve of a coating coating apparatus.
pulvérisation à magnétron, au fur et à mesure que la 10 cathode cible s'use. magnetron sputtering, as the target cathode wears out.
Un autre objet encore de l'invention est de proposer un appareil et un procédé de commande d'un appareil de dépôt de revêtement par pulvérisation à magnétron comprenant une cathode cible magnétique qui a 15 tendance à présenter une réluctance variable en raison Yet another object of the invention is to provide an apparatus and method for controlling a magnetron sputter coating apparatus comprising a magnetic target cathode which tends to have variable reluctance due to
des variations de température.temperature variations.
Un autre objet enfin de l'invention est de proposer un appareil et un procédé de commande d'un appareil de dépôt de revêtement par pulvérisation à magnétron comprenant une cathode cible magnétique qui a tendance à présenter un circuit de réluctance variable Another object of the invention is to provide an apparatus and method for controlling a magnetron sputter coating deposition apparatus comprising a magnetic target cathode which tends to have a variable reluctance circuit.
sous l'effet de l'érosion de la cible. under the effect of the erosion of the target.
Selon l'invention, l'impédance électrique du plasma d'un appareil de dépôt de revêtement par pulvéri25 sation à magnétron est contrôlée en commandant l'intensité du champ magnétique en réponse à des paramètres du plasma ayant tendance à varier Dans un mode de réalisation, l'intensité du champ magnétique est contrôlée en commandant l'intensité d'un courant appliqué à un électro-aimant 30 qui établit l'intensité du champ magnétique Le courant appliqué à l'électro-aimant est à son tour commandé en comparant la tension du plasma, c'est-à-dire la tension entre l'anode et la cathode cible à une valeur prédéterminée La valeur prédéterminée de la tension du plasma peut être réglée par un opérateur ou programmée pour varier avec le temps et l'érosion de la cible ou selon toute autre According to the invention, the electrical impedance of the plasma of a magnetron sputter coating apparatus is controlled by controlling the intensity of the magnetic field in response to plasma parameters tending to vary in one embodiment. the intensity of the magnetic field is controlled by controlling the intensity of a current applied to an electromagnet 30 which establishes the intensity of the magnetic field. The current applied to the electromagnet is in turn controlled by comparing the plasma voltage, i.e. the voltage between the anode and the target cathode at a predetermined value The predetermined value of the plasma voltage can be set by an operator or programmed to vary with time and erosion of the target or according to any other
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fonction voulue Un premier moniteur proportionnelintégral-différentiel (PID) pour le courant l'électroaimant réagit à un signal d'erreur indiquant l'écart entre la valeur programmée et la valeur mesurée de la tension du plasma L'intensité du plasma est contrôléeindépendamment de sa tension en réponse à la sortie d'une seconde boucle proportionnelleintégrale-différentielle réagissant à un signal d'erreur produit en comparant l'intensité réelle du plasma avec une valeur prédéterminée Cette seconde boucle contrôle effectivement la puissance du plasma La seconde boucle n'affecte que l'intensité du plasma car la desired function A first integral-proportional-differential (PID) monitor for the current the electromagnet responds to an error signal indicating the difference between the programmed value and the measured value of the plasma voltage. The intensity of the plasma is controlled independently of its voltage in response to the output of a second integral-differential proportional loop responsive to an error signal produced by comparing the actual intensity of the plasma with a predetermined value This second loop effectively controls the power of the plasma The second loop affects only the intensity of the plasma because the
première boucle gère sa tension.first loop manages its tension.
Ainsi, la première boucle fermée proportionnelleintégrale-différentielle entraîne un fonctionnement à une 15 valeur-prédéterminée de la tension du plasma, résultant d'un contrôle constant de l'impédance du plasma en modifiant l'intensité du champ de fuite par la commande du courant dans la bobine d'électroaimant Pour compléter ce principe de commande, la seconde boucle proportionnelle20 integrale-différentielle (PID) contrôle le signal de commande de puissance de la source d'alimentation du plasma en Thus, the first integral-differential proportional closed loop causes operation at a predetermined value of the plasma voltage, resulting from constant control of the plasma impedance by changing the leakage field strength by current control. in the solenoid coil To complete this control principle, the second integral-differential proportional (PID) loop controls the power control signal of the plasma power source by
réponse à une valeur prédéterminée de l'intensité de plasma. response to a predetermined value of the plasma intensity.
La valeur de courant prédéterminé peut aussi être réglée par un opérateur ou programmée pour changer avec le temps 25 et l'érosion de la cible, ou selon toute autre fonction voulue Etant donné que la première boucle proportionnelleintégrale-différentielle (PID) produit toujours:une tension prédéterminée du plasma, toute variation du signal de commande de la source d'alimentation du plasma qui, dans la technique antérieure, modifiait à la fois la tension et le courant de plasma, peut maintenant changer seulement le courant de plasma La puissance appliquée au plasma résulte maintenant d'une tension et d'une intensitévoulus, sélectionnés et/ou programmés à l'avance Il en résulte que la 35 tension et le courant de plasma sont initialement sélectionnés indépendamment par l'opérateur Cette dimension The predetermined current value can also be set by an operator or programmed to change with time and erosion of the target, or any other desired function Since the first integral-differential proportional (PID) loop always produces: predetermined voltage of the plasma, any variation of the control signal of the plasma power source which, in the prior art, altered both the voltage and the plasma current, can now change only the plasma current The power applied to the plasma Plasma now results from a voltage and a desired intensity, selected and / or programmed in advance. As a result, the plasma voltage and current are initially selected independently by the operator.
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supplémentaire du contrôle obtenu selon l'invention permet une sélection indépendante de la tension et du courant du plasma Ainsi, l'invention apporte de additional control obtained according to the invention allows an independent selection of the voltage and the current of the plasma Thus, the invention provides
nombreux choix à l'opérateur pour contrôler des para5 mètres de dépôt aux valeurs voulues. numerous choices for the operator to control deposit parameters at the desired values.
Selon un autre aspect de l'invention, la tendance de l'érosion de la surface d'émission de la cible à changer ladistribution des atomes sur un substrat est compensée en normalisant de temps à autre 10 certains paramètres de l'appareil de dépôt Pendant que l'appareil se trouve en état normalisé, une réponse de la cible est déterminée La réponse déterminée est comparée avec une valeur prédéterminée de la réponse pour indiquer si la cible s'est érodée dans une mesure qui nécessite un réglage des paramètres du plasma ou si elle doit être considérée comme épuisée La réponse déterminée établit les valeurs de point de réglage de la tension du plasma de son courant et du champ magnétique Les valeurs établies des points de réglage sont telles que lorsque 20 les paramètres du plasma sont contrôlées, la tendance à variation de la distribution avec l'érosion de la cible According to another aspect of the invention, the tendency of erosion of the emission surface of the target to change the distribution of atoms on a substrate is compensated by normalizing from time to time certain parameters of the deposition apparatus. that the apparatus is in a normalized state, a response from the target is determined The determined response is compared with a predetermined value of the response to indicate whether the target has eroded to a degree that requires adjustment of the plasma parameters or if it is to be considered exhausted The determined response establishes the setpoint values of the plasma voltage of its current and the magnetic field. The set values of the set points are such that when the plasma parameters are controlled, the trend Variation in distribution with erosion of the target
est pratiquement éliminée.is virtually eliminated.
Dans le cas d'une cible magnétique, un champ magnétique prédéterminé est fourni à la cible pendant que 25 l'appareil se trouve en condition normalisée L'amplitude d'un champ de fuite dans le voisinage de la cible, résultant de ce champ prédéterminé est détectée pour établir les valeurs de point de réglage La condition normalisée pour la cible magnétique est établie sans que le plasma 30 soit déclenché et pendant que l'anode se trouve à une In the case of a magnetic target, a predetermined magnetic field is provided to the target while the apparatus is in a normalized condition. The magnitude of a leakage field in the vicinity of the target, resulting from this predetermined field. is detected to establish the set point values. The normalized condition for the magnetic target is set without the plasma being triggered and while the anode is at a set point.
température stable prédéterminée. predetermined stable temperature.
Dans le cas d'une cible non magnétique, la condition normalisée est établie avec le plasma déclenché et sous une pression et une intensit Sprédéterminés Le courant 35 de l'enroulement qui détermine le champ magnétique est ensuite contrôlé pour que la tension du plasma atteigne In the case of a non-magnetic target, the normalized condition is established with the triggered plasma and under a predetermined pressure and intensity. The current of the winding which determines the magnetic field is then controlled so that the plasma voltage reaches
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une valeur prédéterminée L'intensité dans la bobine détermine la durée de la cathode cible et les valeurs programmées de la tension du plasma, de son a predetermined value The intensity in the coil determines the duration of the target cathode and the programmed values of the plasma voltage, its
courant et de l'intensité dans la bobine. current and intensity in the coil.
Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de pulvérisation à magnétron pour déposer un matériau magnétique sur un substrat consiste à appliquer à la cible un champ magnétique ayant une intensité suffisante pour saturer le matériau magnétique de la cible sur une According to another aspect of the invention, a magnetron sputtering method for depositing a magnetic material on a substrate comprises applying to the target a magnetic field of sufficient intensity to saturate the magnetic material of the target on a substrate.
très petite longueur dans la direction du champ magnétique. very small length in the direction of the magnetic field.
Etant donné qu'une partie du matériau magnétique de la cible est saturée, un champ de fuite magnétique est établi à proximité de la surface d'émission de la cible Le champ de fuite part et revient à des positions séparées de la cible qui sont voisines de la partie saturée Ces parties voisines forment des prolongements des structures polaires de polarité opposée à celle de la structure magnétique du dispositif; magnétron Le champ magnétique de fuite est le champ magnétique de confinement dans ce cas Le champ 20 magnétique est contr Olé en réponse à une indication d'impédance du plasma La cible a tendance à changer de température pendant le fonctionnement en raison de son bombardement Les propriétés magnétiques de la cible ont donc tendance à changer pendant le fonctionnement Pour compenser 25 cette tendance de l'intensité du champ magnétique à varier en fonction de la température, l'amplitude du champ est modifiée de manière que la configuration du champ de fuite et son intensité tendent à rester constantes sur une base à court terme, c'est-à- dire dans une période pendant laquelle 30 le profil des atomes entre la cible et le substrat peut être Since a portion of the magnetic material of the target is saturated, a magnetic leakage field is established near the target's emission surface. The leakage field leaves and returns to separate positions of the target that are close to each other. These adjacent parts form extensions of the polar structures of opposite polarity to that of the magnetic structure of the device; Magnetron The magnetic field of leakage is the magnetic confinement field in this case The magnetic field is controlled in response to an indication of impedance of the plasma The target tends to change temperature during operation due to its bombardment. Thus, in order to compensate for this tendency of the magnetic field intensity to vary with temperature, the amplitude of the field is changed so that the configuration of the leakage field and its intensity tend to remain constant on a short-term basis, i.e., in a period during which the atom profile between the target and the substrate may be
considéré comme constant.considered constant.
Selon un autre aspect de l'invention, un appareil de dép Ot de revêtement par pulvérisation à magnétron comporte un capteur de champ magnétique positionné à proxi35 mité de la cible pour détecter son champ de fuite L'impédance du plasma est contr Olée en réponse au champ magnétique In another aspect of the invention, a magnetron sputter coating apparatus includes a magnetic field sensor positioned proximate the target to detect its leakage field. The impedance of the plasma is controlled in response to magnetic field
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détecté par le capteur de champ magnétique Dans un mode préféré de réalisation, le capteur de champ magnétique detected by the magnetic field sensor In a preferred embodiment, the magnetic field sensor
est une plaque de Hall.is a Hall plaque.
D'autres caractéristiques et avantages de Other features and benefits of
l'invention apparaîtront au cours de la description qui the invention will become apparent during the description which
va suivre.go follow.
Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatif: la Figure 1 est un schéma simplifié d'un appa10 reil de revêtement par pulvérisation à magnétron et de l'équipement de commande pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la Figure 2 est une illustration qui aide à comprendre l'un des problèmes que l'invention résoud, la Figure 3 est un organigramme de la commande assurée selon l'invention et, In the accompanying drawings, given by way of non-limiting example only: FIG. 1 is a simplified diagram of a magnetron sputtering coating apparatus and control equipment for carrying out the method according to the invention 2 is an illustration which helps to understand one of the problems that the invention solves, FIG. 3 is a flowchart of the control provided according to the invention and,
la Figure 4 est un organigramme de l'initialisation faisant partie de l'organigramme de la Figure 3. Figure 4 is a flowchart of the initialization forming part of the flowchart of Figure 3.
La Figure 1 représente donc un appareil 11 de 20 pulvérisation à magnétron qui comporte une chambre à vide 12 contenant un volume 13 de traitement ou de dépôt de revêtement par pulvérisation dans lequel un substrat 14 est monté par tout moyen habituel, non représenté Dans une application, dans laquelle l'appareil est utilisé pour 25 fabriquer des disques magnétiques de très haute résolution du type utilisé dans les mémoires de calculateur, le substrat 14 est fait d'une matière non magnétique, comme de l'aluminium Des couches magnétiques et non magnétiques peuvent être déposées sur le substrat 14 par l'appareil de 30 la Figure 1, par un choix approprié des matières de la cathode cible 15, ayant initialement une surface d'émission plane orientée vers le substrat 14; la cible 15 fait partie d'un ensemble de cathode 17 Dans le présent mode de réalisation, il sera fait fréquemment mention de concentricité 35 et d'axe de symétrie et autres termes liés à une réalisation générale circulaire et annulaire car l'ensemble de 11 h 2549496 cathode de la Fig 1 est circulaire et annulaire Mais l'invention peut également s'appliquer à des sources à magnétron d'autres formes y compris celles généralement appelées dans l'industrie des dispositifs à magnétron plan Dans la configuration illustrée, la cathode 15 est annulaire. La chambre 12 comporte une enveloppe extérieure 16 métallique, connectée électriquement à la masse, faite d'une matière ayant une haute conductibilité électrique. 10 Dans la configuration illustrée, l'enveloppe 16 a la forme générale d'un cylindre dont l'axe est concentrique au substrat 14-, à son tour coaxial avec la cathode annulaire 15 L'enveloppe d'anode 16 est isolée électriquement de l'ensemble de cathode 17 par une bague isolante 15 18 concentrique avec l'axe de l'enveloppe 16 L'anneau 18 est monté de façon fixe sur un anneau non magnétique 19, les deux anneaux formant des parties extérieures de la FIG. 1 therefore shows a magnetron sputtering apparatus 11 which comprises a vacuum chamber 12 containing a spray coating treatment or deposition volume 13 in which a substrate 14 is mounted by any usual means, not shown In one application wherein the apparatus is used to make very high resolution magnetic disks of the type used in the computer memories, the substrate 14 is made of a non-magnetic material, such as aluminum. Magnetic and non-magnetic layers may be deposited on the substrate 14 by the apparatus of Figure 1, by appropriate selection of the target cathode 15 materials, initially having a planar emission surface oriented toward the substrate 14; the target 15 is part of a cathode assembly 17 In the present embodiment, it will be frequently mentioned concentricity and axis of symmetry and other terms related to a general circular and annular embodiment because the set of 11 However, the invention can also be applied to magnetron sources of other shapes, including those generally known in the planar magnetron device industry. In the configuration illustrated, the cathode 15 is annular. The chamber 12 comprises an outer metal envelope 16, electrically connected to the ground, made of a material having a high electrical conductivity. In the illustrated configuration, the casing 16 has the general shape of a cylinder whose axis is concentric with the substrate 14, in turn coaxial with the annular cathode. The anode casing 16 is electrically insulated from the casing. cathode assembly 17 by an insulating ring 15 18 concentric with the axis of the casing 16 The ring 18 is fixedly mounted on a non-magnetic ring 19, the two rings forming outer portions of the
chambre 12.room 12.
L'ensemble de cathode 17 comporte un dispositif 20 pour fournir a la cible 15 un champ magnétique variable et commandé Le dispositif d'application d'un champ magnétique variable comporte une bobine ou un enroulement électromagnétique 21 enroulé concentriquement avec l'axe de l'ensemble de cathode 17 de manière qu'un courant circule circonférentiellement par rapport à l'axe commun de l'enroulement et de l'ensemble L'enroulement 21 est entouré par un circuit magnétique de faible réluctance comprenant la cible 15, une pièce polaire intérieure 22 de forme annulaire, une pièce polaire extérieure 23 de forme 30 annulaire et une pièce polaire 24 en forme de disque horizontal La pièce polaire 23 supporte le disque 19 Les pièces polaires 22, 23 et 24 sont coaxiales avec l'axe The cathode assembly 17 comprises a device 20 for supplying the target 15 with a variable and controlled magnetic field. The device for applying a variable magnetic field comprises a coil or an electromagnetic winding 21 wound concentrically with the axis of the cathode assembly 17 so that a current flows circumferentially with respect to the common axis of the winding and the assembly The winding 21 is surrounded by a magnetic circuit of low reluctance comprising the target 15, an inner pole piece 22 of annular shape, an outer pole piece 23 of annular shape and a pole piece 24 in the form of horizontal disc The pole piece 23 supports the disc 19 The pole pieces 22, 23 and 24 are coaxial with the axis
commun de la bobine 21 et de l'enveloppe 16. common of the coil 21 and the envelope 16.
Une source 25 de courant continu fournit un courant continu variable à la bobine 21 pour faire varier le champ magnétique appliqué par l'ensemble 17 à l'électrode cible 15 En réponse au courant continu appliqué a la bobine 21, un flux magnétique dirigé en opposition est développé dans les pièces polaires annulaires 22 et 23, de sorte qu'un flux magnétique dirigé radialement passe par la cible 15 au voisinage de sa surface d'émission Il est supposé sur la Figure 1 que la polarité du courant appli5 quée par la source 25 à la bobine 21 est telle que le flux magnétique passant pas la cible 15 sur les deux côtés de l'axe de symétrie de l'enveloppe 16 est dirigée radialement vers 1 'extérieur Inversement, le flux magnétique dans le disque 24 est dirigé radialement vers l'intérieur. 10 Le flux magnétique dans la cible 15 peut établir des lignes de force de fuite 25 près de la surface d'émission de la cible 15 Des lignes de forces 25 ont une forme incurvée et passent légèrement au- dessus de la surface d'émission de la cible 15 L'intensité des lignes de forces de fuite 25 dépend de la nature des propriétés magnétiques de la cible A DC source provides a variable DC current to the coil 21 to vary the magnetic field applied by the assembly 17 to the target electrode 15. In response to the DC current applied to the coil 21, a magnetic flux directed in opposition is developed in the annular pole pieces 22 and 23, so that a radially directed magnetic flux passes through the target 15 in the vicinity of its emission surface. It is assumed in FIG. 1 that the polarity of the current applied by the source 25 to the coil 21 is such that the magnetic flux passing through the target 15 on both sides of the axis of symmetry of the casing 16 is directed radially outwards. Inversely, the magnetic flux in the disk 24 is directed radially. towards the inside. The magnetic flux in the target 15 may establish lines of leakage force 25 near the emission surface of the target 15. Lines of force 25 have a curved shape and pass slightly above the emission surface of the target. the target 15 The intensity of the leakage force lines 25 depends on the nature of the magnetic properties of the target
et de l'intensité du courant appliqué à la bobine 21. and the intensity of the current applied to the coil 21.
Si par exemple la cible 15 est faite d'une matière non magnétique, l'intensité du champ de fuite est similaire à celle du champ dans la cible et ce champ de fuite s'étend jusqu'à une distance relativement grande au-dessus de la surface d'émission de la cible Mais, si la cible 15 est faite d'un matériau magnétique à une température qui est nettement au-dessous dela température du point de Curie de 25 la matière et si le champ magnétique qui lui est appliqué par la bobine 21 est très inférieur au champ nécessaire pour saturer la cible, pratiquement toutes les lignes forces magnétiques développées par la bobine 21 dans les pièces polaires 22-24 passent dans la cible, avec un champ 30 de fuite d'amplitude relativement faible s'étendant seulement à une courte distance au-dessus de la surface d'émission de la cible Cependant, si la cible 15 atteint une température suffisamment élevée pour s'approcher de son point de Curie, le champ magnétique de la bobine 21 a 35 tendance à saturer plus facilement cette cible Quand la cible est saturée, sa réluctance magnétique augmente et il If, for example, the target 15 is made of a non-magnetic material, the intensity of the leakage field is similar to that of the field in the target and this leakage field extends to a relatively large distance above the target field. However, if the target is made of a magnetic material at a temperature which is well below the Curie point temperature of the material and the magnetic field applied to it by the surface of the target. the coil 21 is much smaller than the field necessary to saturate the target, virtually all the magnetic force lines developed by the coil 21 in the pole pieces 22-24 pass into the target, with a relatively low amplitude leakage field s' extending only a short distance above the target emission surface However, if the target 15 reaches a sufficiently high temperature to approach its Curie point, the magnetic field of the coil 21 is tendency to saturate this target more easily When the target is saturated, its magnetic reluctance increases and it
13 2549496 ' 1313 2549496 '13
apparaît un champ magnétique de fuite d'amplitude relativement grande s'étendant à une distance relativement appears a relatively large amplitude magnetic field of leakage extending at a relatively
importante au-dessus de la surface d'émission de la cible. important above the emission surface of the target.
Des lignes de forces de fuite 25 substantielles peuvent aussi être produites si la cible se trouve à une température relativement basse lorsque le courant fourni à la bobine 21 suffit pour amener à saturation une partie du matériau magnétique de la cible 15 Pour assurer que le matériau magnétique de la cible 15 soit saturé avant celui 10 des pièces polaires 22-24, la courbe B-H des pièces polaires a un point de saturation d'intensité du flux Substantial leakage force lines may also be produced if the target is at a relatively low temperature when the current supplied to the coil 21 is sufficient to saturate a portion of the magnetic material of the target. of the target 15 is saturated before that of the pole pieces 22-24, the curve BH of the pole pieces has a point of saturation of the flux intensity
magnétique supérieur à celui de la cible. magnetic greater than that of the target.
Pour produire un plasma dans le volume de traitement 13, un gaz inerte, généralement de l'argon, est 15 fourni au volume de traitement par une source 31 de gaz inerte comprimé La quantité de gaz circulant depuis la source 31 dans le volume 13 est contrôlée par une soupape asservie 32 à orifice variable dans la conduite 33 entre la source et le volume Un débimètre 34 dans la conduite 20 33 produit sur un conducteur 35 un signal électrique dont l'amplitude indique le débit de gaz depuis la source 31 To produce a plasma in process volume 13, an inert gas, typically argon, is supplied to the process volume by a source 31 of compressed inert gas. The amount of gas flowing from source 31 into volume 13 is Controlled by a variable orifice servo valve 32 in the conduit 33 between the source and the volume A flowmeter 34 in the line 33 produces on an electrical conductor 35 an electrical signal whose amplitude indicates the flow of gas from the source 31
vers le volume 13.to volume 13.
Le gaz inerte qui circule depuis la source 31 vers le volume 13 est ionisée sous l'effet d'électrons qui se propagent dans le volume 13 entre la cathode cible et l'électrode d'anode 16, en raison du fait que cette dernière est polarisée positivement par rapport à la cathode A cet effet, une source 37 d'alimentation continue du plasma comporte une électrode positive à la masse, connectée à l'anode 16 et une électrode négative de tension The inert gas flowing from the source 31 to the volume 13 is ionized under the effect of electrons propagating in the volume 13 between the target cathode and the anode electrode 16, due to the fact that the latter is Positively polarized with respect to the cathode For this purpose, a source 37 of continuous supply of the plasma comprises a positive ground electrode, connected to the anode 16 and a negative voltage electrode.
relativement élevée connectée à l'ensemble de cathode 17. relatively high connected to the cathode assembly 17.
En réponse au potentiel continu établi entre les électrodes 15 et 16, des lignes de forces électriques 38 sont établies. In response to the DC potential established between the electrodes 15 and 16, electric force lines 38 are established.
Les lignes de forces électriques 38 sont généralement rectilignes ou incurvées, les lignes électriques rectilignes subsistant généralement entre les parties de la The electric force lines 38 are generally rectilinear or curved, the rectilinear electric lines generally remaining between the parts of the
14 254949614 2549496
cathode 15 et de l'anode 16 qui sont alignées l'une par rapport à l'autre Les lignes de forces électriques incurvées subsistent entre des partieps voisines-des électrodes 15 et 16 Les lignes de forces électriques 38 sont perpendiculaires aux lignes de forces magnétiques 25 produites par la bobine 21 en combinaison avec les cathode 15 and anode 16 which are aligned relative to each other Curved electric force lines remain between adjacent portions-electrodes 15 and 16 Electrical power lines 38 are perpendicular to the magnetic force lines Produced by the coil 21 in combination with the
pièces polaires 22-24 et la cible 15. Polar pieces 22-24 and the target 15.
Les sources de courant continu 25 et 37 sont alimentées par une source principale de courant alterna10 tif connectée à la borne 38 D'une façon générale, la source d'alimentation 25 produit une tension qui peut varier dans une plage étroite et une intensité variable qui est fournie à la bobine 21 pour permettre de compenser les variations de résistance de la bobine résultant des 15 variations de température La source 37 est commandée de manière qu'un courant et une tension variables puissent subsister entre la cathode cible 15 et l'anode 16 Les sources continues 25 et 37 sont utilisées pour des cibles faites de matière magnétique ou non magnétique, conduc20 trices de l'électricité Mais si la cible 15 est faite d'une matière isolante, la source 37 est une source a haute fréquence tandis que la source 25 reste une source The DC power sources 25 and 37 are powered by a main alternating current source connected to the terminal 38. In general, the power source 25 produces a voltage which can vary in a narrow range and a variable intensity which The source 37 is controlled so that a variable current and voltage can remain between the target cathode 15 and the anode 16. Continuous sources 25 and 37 are used for targets made of magnetic or nonmagnetic material, conducting electricity. But if the target is made of an insulating material, the source 37 is a high frequency source while the source 25 remains a source
de courant continu.of direct current.
Pour maintenir le volume de traitement 13 à la 25 pression voulue, une pompe 41 à vide poussé est branchée sur le volume de traitement 13 par une conduite 42 Dans certains cas, il peut être souhaitable de commander le débit avec lequel la pompe 41 vide le volume de traitement 13, auquel cas un orifice de pompage variable, non repré30 senté, est prévu dans laconduite 42 entre la pompe 41 et To maintain the process volume 13 at the desired pressure, a high vacuum pump 41 is connected to the process volume 13 via a line 42. In some cases it may be desirable to control the rate at which the pump 41 empties the treatment volume 13, in which case a variable pumping orifice, not shown, is provided in line 42 between pump 41 and
le volume 13.volume 13.
Différents paramètres sont surveillés pour aider à commander l'ouverture de la soupape 32, le courant fourni par la source 25 à la bobine 21 et la tension ainsi 35 que l'intensité fournis par la source de courant continu 37 à la cathode cible 15 et l'anode 16 La source 25 comporte un transformateur d'intensité, non représenté, pour fournir sur le conducteur 44 un signal de courant Various parameters are monitored to help control the opening of the valve 32, the current supplied by the source 25 to the coil 21, and the voltage and current supplied by the DC source 37 to the target cathode 15 and the anode 16 The source 25 comprises an intensity transformer, not shown, for providing on the conductor 44 a current signal
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continu proportionnel à l'intensité fournie-par la source à la bobine 21 La source 37 d'alimentation du plasma en courant continu comporte un transformateur d'intensité, non représenté, pour fournir au conducteur 46 un signal continu proportionnel à l'intensité fournie oar lasource 37 entre les électrodes 15 et 16 La source 37 peut également comporter un circuit de mesure de tension, non représenté, pour fournir au conducteur un signal indiquant l'amplitude de la tension appli10 quée par la source entre les électrodes 15 et 16 La pression dans le volume de traitement 13 est contrôlée par un manomètre à vide 47 branché sur le volume de traitement 13 par une conduite 48 Le manomètre 47 fournit Continuous proportional to the intensity supplied by the source to the coil 21 The DC plasma power source 37 comprises an intensity transformer, not shown, to provide the conductor 46 with a DC signal proportional to the intensity supplied. The source 37 may also include a voltage measuring circuit, not shown, to provide the conductor with a signal indicative of the magnitude of the voltage applied by the source between the electrodes 15 and 16. pressure in the treatment volume 13 is controlled by a vacuum manometer 47 connected to the treatment volume 13 by a pipe 48 The pressure gauge 47 provides
sur un conducteur 52 un signal continu dont l'amplitude 15 est proportionnelle à la dépression dans le volume 13. on a conductor 52 a continuous signal whose amplitude is proportional to the depression in the volume 13.
L'amplitude du champ magnétique de fuite au voisinage de la cathode cible 15 est contrôlée par une plaque Hall 49 située près dela cible 15 mais à l'extérieur du volume de traitement 13 La plaque de Hall 49 est positionnée à proximité de la cible 15 de manière à fournir sur le conducteur 50 un signal continu proportionnel à l'intensité du flux de fuite au-dessus de la surface d'émission de la cible 15 Le débimètre 34 délivre sur le conducteur 35 un signal continu indiquant le débit de gaz circulant depuis la source 31 de gaz comprimé vers le volume de The magnitude of the leakage magnetic field in the vicinity of the target cathode 15 is controlled by a Hall plate 49 located near the target 15 but outside the processing volume 13. The Hall plate 49 is positioned near the target 15 so as to provide on the conductor 50 a continuous signal proportional to the intensity of the leakage flux above the emission surface of the target 15 The flow meter 34 delivers on the conductor 35 a continuous signal indicating the flow of circulating gas from the source 31 of compressed gas to the volume of
traitement 13.treatment 13.
Les signaux sur les conducteurs 35, 44-46, 50 et 52 sont appliqués à une section d'entrée-sortie 55 de traitement de données, faisant partie d'un dispositif de commande par calculateur 56 La section d'entrée-sortie comporte un multiplexeur, non représenté, qui fournit les signaux des conducteurs 35, 44-46, 50 et 52, un à la fois, à un convertisseur analogique-numérique, non representé, dans la section 55 La section d'entrée-sortie 55 est connectée à une unité centrale de traitement de commande (CPU) 57 d'un processeur de données 56 par une The signals on the leads 35, 44-46, 50 and 52 are applied to a data processing input / output section 55, which is part of a computer controller 56. The input / output section multiplexer, not shown, which supplies the signals of the conductors 35, 44-46, 50 and 52, one at a time, to an analog-to-digital converter, not shown, in section 55 The input-output section 55 is connected to a central control processor (CPU) 57 of a data processor 56 by a
16 254949616 2549496
ligne omnibus 58 à plusieurs conducteurs La ligne omnibus 58 réagit à la sortie du convertisseur analogique-numérique de la section d'entréesortie 55 en fournissant des signaux d'entrée à plusieurs bits à la multi-conductor bus line 58 The bus line 58 responds to the output of the analog-to-digital converter of the input-output section 55 by providing multi-bit input signals to the
CPU 57.CPU 57.
La CPU 57 comporte une mémoire conventionnelle pour mémoriser un programme et des données prédéterminées de commande du fonctionnement des sources 25 et 37 ainsi que de l'orifice 32 La CPU 57 réagit à des signaux indiquant la tension voulue à appliquer par la source 37 entre les électrodes 15 et 16 et le courant à fournir par la source 37 entre les électrodes 15 et 16, ainsi qu'à la valeur voulue de la pression dans le volume de traitement 13 Les valeurs voulues de tension et d'intensité de la 15 source 37 et dépression dans le volume 13 peuvent etre préréglées par un opérateur à des valeurs initiales ou peuvent être dérivées du réglage par l'opérateur d'une vitesse voulue de dépôt de matière depuis la cathode cible 15 sur le substrat 14 Les valeurs de réglage de tension et d'intensité de la source 37 et de la pression du volume de traitement 13 peuvent être modifiées de temps à autre par l'opérateur mais sont de préférence programmées pour changer avec la quantité dont la cible particulière s'est érodée afin d'en compenser l'érosion Les valeurs 25 programmées pour la tension et l'intensité de la source 37 et la pression dans le volume 13 sont mémorisées dans la The CPU 57 includes a conventional memory for storing a program and predetermined data for controlling the operation of the sources 25 and 37 as well as the port 32. The CPU 57 responds to signals indicating the desired voltage to be applied by the source 37 between the electrodes 15 and 16 and the current to be supplied by the source 37 between the electrodes 15 and 16, as well as to the desired value of the pressure in the treatment volume 13 The desired values of voltage and intensity of the source 37 and depression in the volume 13 may be preset by an operator to initial values or may be derived from the operator setting a desired material deposition rate from the target cathode 15 to the substrate 14 The voltage control values and intensity of the source 37 and the pressure of the treatment volume 13 may be modified from time to time by the operator but are preferably programmed to change with the amount that the particular target has eroded to compensate for erosion The values programmed for the voltage and the intensity of the source 37 and the pressure in the volume 13 are stored in the
mémoire de la CPU 57.memory of the CPU 57.
La CPU 57 réagit aux signaux fournis par la ligne omnibus 58 ainsi qu'aux signaux fournis pour lui indiquer 30 les valeurs voulues de tension de plasma et d'intensité de plasma, provenant de la source 37 entre les électrodes 15 et 16 et à la valeur voulue de pression dans le volume 13 en calculant: ( 1) les variations nécessaires de débit avec lequel le gaz est fourni de la source 31 au volume 35 13,( 2) les variations nécessaires du courant fourni par la source 25 à la bobine 21, et ( 3) les variations nécessaires de la puissance fournie par la source 37 entre les The CPU 57 responds to the signals provided by the bus line 58 as well as to the signals provided to indicate the desired plasma voltage and plasma intensity values from the source 37 between the electrodes 15 and 16 and at the same time. desired pressure value in the volume 13 by calculating: (1) the necessary flow rate variations with which the gas is supplied from the source 31 to the volume 13, (2) the necessary variations of the current supplied by the source 25 to the coil 21, and (3) the necessary variations in the power provided by the source 37 between
17 254949617 2549496
électrodes 15 et 16 Ces paramètres, à l'exception de la puissance au plasma, déterminent l'impédance du plasma dans le volume 13 Il en est ainsi car l'impédance du plasma est fonction de la pression du gaz inerte dans le volume 13, du champ magnétique provenant de l'ensemble de cible 17 et d'autres paramètres qui changent l'impédance, nominalement par rapport à l'effet du champ magnétique La valeur dépendante contrôlée qui peut être changée pour déterminer l'impédance du plasma 10 dans le volume 13 est l'intensité du champ magnétique fourni par la bobine 21 ainsi que par les pièces polaires electrodes 15 and 16 These parameters, with the exception of the plasma power, determine the impedance of the plasma in the volume 13 This is so because the impedance of the plasma is a function of the pressure of the inert gas in the volume 13, of the magnetic field from the set of target 17 and other parameters that change the impedance, nominally with respect to the effect of the magnetic field. The controlled dependent value that can be changed to determine the impedance of the plasma 10 in the volume 13 is the intensity of the magnetic field supplied by the coil 21 as well as by the pole pieces
22-24 à la cible 15.22-24 to the target 15.
Les signaux continus analogiques de commande pour augmenter ou réduire le débit de gaz, l'intensité dans la 15 bobine et la puissance au plasma, calculés par la CPU 57 sont fournis à la section d'entrée-sortie 55 par la ligne omnibus 58 La section d'entrée-sortie 55 comporte un convertisseur numérique-analogique, non représenté, qui fournit des signaux continus analogiques pour commander 20 le débit de gaz, l'intensité dans la bobine et la puissance au plasma, respectivement sur des conducteurs 61, 62 et 63 Le signal de débit de gaz sur le conducteur 61 est appliqué à la soupape asservie 32 pour commander l'ouverture de son orifice qui, à son tour, détermine le 25 débit de gaz de la source 31 vers le volume 13 Le signal sur le conducteur 62 est appliqué à la source 25 pour déterminer l'intensité du courant continu fourni par la source à la bobine 21 Le signal continu sur le conducteur 63 est fourni par la source 37 à la commande 30 de puissance fournie par la source entre les électrodes et 16 Les signaux de sortie de commande augmentent ou diminuent la sortie des dispositifs commandés pour que la pression du plasma, sa tension et son intensité soient Continuous analog control signals for increasing or reducing the gas flow, coil current and plasma power calculated by the CPU 57 are provided at the input-output section 55 by the bus line 58 La. input-output section 55 comprises a digital-to-analog converter, not shown, which provides analog continuous signals for controlling the gas flow, the coil current and the plasma power respectively on leads 61, 62 and 63 The gas flow signal on the conductor 61 is applied to the slave valve 32 to control the opening of its orifice which, in turn, determines the flow of gas from the source 31 to the volume 13. the conductor 62 is applied to the source 25 to determine the intensity of the direct current supplied by the source to the coil 21 The continuous signal on the conductor 63 is supplied by the source 37 to the power control 30 provided by the The control output signals increase or decrease the output of the controlled devices so that the plasma pressure, its voltage and its intensity are
conformes aux valeurs sélectionnées ouprogrammées par 35 l'opérateur. conform to the values selected or programmed by the operator.
Avant de décrire le fonctionnement du dispositif de la Figure 1, il y a lieu de considérer en regard de la Before describing the operation of the device of Figure 1, it is necessary to consider
18 2549496.18 2549496.
Figure 2 la manière dont la surface d'émission initialement plane de la cible 15 s'érode et l'effet de l'érosion sur l'épaisseur d'un revêtementappliqué -sur-le-substrat14 si aucun changement d'impédance du plasma n'est produit Sur la Figure 2, la cible 15 est représentée comme comprenant initialement une surface d'émission plane 61 Quand la cible 15 est utilisée, elle s'érode de sorte que la surface plane 61 se creuse et adopte une forme concave A la fin de la durée de vie de la cible 15, 10 cette dernière s'est érodée dans une telle mesure que la surface concave 62 arrive presqu'à la surface inférieure 63. Des indications sur les profils d'épaisseur du dépôt produit par la cible 15 sur le substrat 14 pour 15 une configuration initiale plane de la cible 15 et àa configuration finale concave 62 sont données respectivement par les courbes 64 et 65 Les courbes 64 et 65 indiquent l'épaisseur du revêtement en fonction de la position par rapport à l'axe 66 du substrat 14 en suppo20 sant que l'axe de substrat coincide avec l'axe de la cible L'axe horizontal associé avec les courbes 64 et 65 indique la distance depuis l'axe 66 tandis que le profil Figure 2 the manner in which the initially planar emission surface of the target is eroded and the effect of erosion on the thickness of a coating applied on the substrate if no change in plasma impedance In Figure 2, the target 15 is shown initially comprising a planar emission surface 61. When the target 15 is used, it is eroded so that the planar surface 61 is hollowed out and adopts a concave shape. At the end of the life of the target 15, the latter has eroded to such an extent that the concave surface 62 almost reaches the lower surface 63. Indications on the thickness profiles of the deposit produced by the target 15 on the substrate 14 for an initial planar configuration of the target 15 and concave final configuration 62 are respectively given by the curves 64 and 65. The curves 64 and 65 indicate the thickness of the coating as a function of the position with respect to the axis 66 of the subs FIG. 14, supposing that the substrate axis coincides with the axis of the target. The horizontal axis associated with curves 64 and 65 indicates the distance from axis 66 while the profile
de revêtement initial et le profil final 64 et 65 sont indiqués comme des déplacements verticaux par rapport à 25 l'axe horizontal 67. initial coating and the end profile 64 and 65 are indicated as vertical displacements with respect to the horizontal axis 67.
La courbe 64 indique que lorsque la cible 15 est initialement mise en place avec une face plane 61, la matière déposée sur le substrat 14 a une épaisseur relativement uniforme, dépendant de la distance entre le substrat 30 et la surface 61 La courbe 64 est symétrique autour de l'axe 66, avec un minimum local sur l'axe et des valeurs maximales à l'intérieur du centre de la cible annulaire émettrice 15 Mais quand la cible 15 s'érode, il se forme un effet d'ombre de la cible sur les atomes qu'elle émet, 35 en raison de la cavitation En outre, en raison de la courbure dela surface d'émission associée avec l'érosion The curve 64 indicates that when the target 15 is initially put in place with a flat face 61, the material deposited on the substrate 14 has a relatively uniform thickness, depending on the distance between the substrate 30 and the surface 61. Curve 64 is symmetrical around the axis 66, with a local minimum on the axis and maximum values inside the center of the emitting annular target 15 But when the target 15 erodes, a shadow effect of the target on the atoms it emits, 35 due to cavitation In addition, due to the curvature of the emission surface associated with erosion
19 254949619 2549496
concave, des nombres différents d'atomes sont émis par des parties différentes de la surface émettrice de la cible Ainsi, le profil du revêtement à tendance a changé de sorte que la courbe 65 du profil de revêtement final présente une distribution beaucoup moins uniforme des atomes que la courbe 64 du profil initial Sur l'axe 66, la courbe 65 présente un minimum local qui est beaucoup plus bas que le minimum local sur l'axe 66 de la courbe 64 Les valeurs maximales de la courbe 65 sont plus éloignées de l'axe 66 que les valeurs maximales de concave, different numbers of atoms are emitted by different parts of the target emitting surface Thus, the profile of the trend coating has changed so that the curve 65 of the final coating profile has a much less uniform distribution of the atoms that the curve 64 of the initial profile On the axis 66, the curve 65 has a local minimum which is much lower than the local minimum on the axis 66 of the curve 64 The maximum values of the curve 65 are further from the axis 66 that the maximum values of
la courbe 64, s'approchant du rayon de la cible 15. the curve 64, approaching the radius of the target 15.
Grâce à la commande de l'impédance du plasma dans le volume de traitement 13, l'invention tend à pallier lesdifférences de profils de distribution asso15 ciés avec l'érosion de la cible 15, en influençant l'érosion progressive de la cible et la position du plasma par rapport à la surface de cette dernière Selon l'invention, la commande de l'impédance du plasma par le champ magnétique de l'ensemble de cathode 17 permet que 20 la distribution de revêtement pour une cible dans l'état érodé indiqué par la courbe 62 tende vers une forme similaire à celle de la courbe de distribution quand la cible est initialement utilisée Ainsi, les courbes de distribution pour la surface plane 61 de la cible 15 et sa 25 surface érodée 62 tendent à avoir les mêmes formes En outre, la tension etl'intensité du plasma sont commandés, Thanks to the control of the impedance of the plasma in the treatment volume 13, the invention tends to overcome the differences in distribution profiles associated with the erosion of the target 15, by influencing the progressive erosion of the target and the Plasma position relative to the surface of the latter According to the invention, the control of the impedance of the plasma by the magnetic field of the cathode assembly 17 allows the coating distribution for a target in the eroded state. indicated by the curve 62 tends to a shape similar to that of the distribution curve when the target is initially used. Thus, the distribution curves for the flat surface 61 of the target 15 and its eroded surface 62 tend to have the same shapes. In addition, the voltage and the intensity of the plasma are controlled,
ce qui permet de commander la vitesse de dépôt du revêtement. which makes it possible to control the coating deposition rate.
La commande automatique d'impédance selon l'inven30 tion permet d'utiliser pour la cible 15 des matières non magnétiques ou des matières magnétiques Pour les matières magnétiques, le flux de saturation dans la cible est établi automatiquement indépendemment des niveaux de saturation de la cible magnétique Le champ de fuite est établi auto35 matiquement pour obtenir l'impédance appropriée du plasma conformément à des valeurs programmées, comme décrit cidessus Des variations des propriétés magnétiques de la The automatic impedance control according to the invention makes it possible to use non-magnetic materials or magnetic materials for the target. For the magnetic materials, the saturation flux in the target is established automatically independently of the saturation levels of the target. The leakage field is automatically set to obtain the appropriate impedance of the plasma in accordance with programmed values, as described above. Variations in the magnetic properties of the
= 2549496= 2549496
cible 15 résultant de l'érosion et de variations desa target 15 resulting from erosion and variations
température sont compensées automatiquement. temperature are compensated automatically.
Un autre avantage de l'invention est que des cibles d'épaisseur relativement grandes peuvent être 5 utilisées car le champ magnétique fourni à la cathode est réglé automatiquement pour s'adapter à l'épaisseur de la cathode, dans la capacité de la bobine électromagnétique 21 Les cathodes de diverses épaisseurs peuvent aussi être utilisées à des moments différents 10 car le champ magnétique est réglé automatiquement pour Another advantage of the invention is that relatively large thickness targets can be used because the magnetic field supplied to the cathode is automatically adjusted to suit the thickness of the cathode, in the capacitance of the electromagnetic coil The cathodes of various thicknesses can also be used at different times because the magnetic field is automatically adjusted to
les différentes conditions de plasma. the different plasma conditions.
Un autre avantage de l'invention est que la pression peut être changée à volonté dans une large plage S'il est nécessaire d'appliquer un revêtement non 15 uniforme sur le substrat 14 en déposant la matière de la cible 15 sur le substrat à travers un masque, une définition fine peut être obtenue avec une pression de gaz généralement basse Si une phase du profil de revêtement obtenu avec un masque doit être améliorée, une pression de 20 gaz plus élevée est souhaitable car il y a une plus grande Another advantage of the invention is that the pressure can be varied at will in a wide range. If it is necessary to apply a non-uniform coating to the substrate 14 by depositing the material of the target on the substrate through a mask, a fine definition can be obtained with a generally low gas pressure. If a phase of the coating profile obtained with a mask needs to be improved, a higher gas pressure is desirable because there is a greater
pulvérisation des atomes éjectés par la cathode cible 15. sputtering of the atoms ejected by the target cathode 15.
Ainsi, selon l'invention, une pression est choisie et maintenue à une valeur voulue ou programmée indépendamment de la tension et de l'intensité du plasma Etant donné que la 25 pression est prédéterminée, l'effet de la pression sur l'impédance du plasma est compensé en contrôlant l'amplitude du champ magnétique appliqué à la cible 15 par Thus, according to the invention, a pressure is selected and maintained at a desired or programmed value regardless of the voltage and the intensity of the plasma. Since the pressure is predetermined, the effect of the pressure on the impedance of the plasma is compensated by controlling the amplitude of the magnetic field applied to the target 15 by
l'ensemble 17.the whole 17.
Un autre avantage de l'invention est d'éliminer l'équipement d'interface coûteux pour attaquer des transducteurs dans l'appareil de revêtement par pulvérisation et des circuits d'interprétation de ces transducteurs pour convertir leurs signaux en des points de réglage discrets. 35 Des valeurs produites par les transducteurs sont mémorisées dans la CPU 57, presque en temps réel Si cela est souhaité, la plage de tension de plasma peut s'étendre depuis une tension très basse, inférieure à 220 volts, jusqu'à des tensions qui dépassent 1 000 volts si la Another advantage of the invention is to eliminate expensive interface equipment for driving transducers in the spray coating apparatus and interpreting circuits of these transducers to convert their signals into discrete control points. The values produced by the transducers are stored in the CPU 57, almost in real time. If desired, the plasma voltage range can extend from a very low voltage, less than 220 volts, to voltages that exceed 1000 volts if the
21 254949621 2549496
pression dans le volume 13 est contrôlée, de même que l'amplitude du champ de fuite En particulier, quand la pression dans le volume 13 diminue et que l'intensité du champ diminue, il est possible d'augmenter la tension appliquée au plasma par la source 37 Quand la tension du plasma augmente, la vitesse de dépôt de matière de In particular, when the pressure in the volume 13 decreases and the field strength decreases, it is possible to increase the voltage applied to the plasma by increasing the pressure in the volume 13. the source 37 When the plasma voltage increases, the rate of deposition of
revêtement sur le substrat 14 est plus élevée. coating on the substrate 14 is higher.
La philosophie de commande du système de la Figure 1 est que des points critiques sont la vitesse de 10 dépôt et la distribution de matière de revêtement sur le substrat La vitesse de dépôt et la distribution de matière derevêtement ne sont pas des fonctions directes de la puissance appliquée au plasma Au contraire, la vitesse de dépôt et la distribution de revêtement varient 15 avec la tension et l'intensité du plasma, en supposant une géométrie fixe de l'ensemble Pour une puissance donnée, la vitesse et la distribution diffèrent quand la tension etl'intensité diffèrent Par exemple, si la puissance au plasma est 1 kilovolt-ampère, la vitesse et la distribu20 tion diffèrent si la tension est 600 volts et l'intensité 1,67 ampères, comparativement à la vitesse et à la distribution pour une tension de 300 volts et une intensité de 3,33 ampères La différence de vitesse et de distribution est due au volume, à la forme et à la position du plasma The control philosophy of the system of Figure 1 is that critical points are the deposition rate and the distribution of coating material on the substrate. The deposition rate and the distribution of coating material are not direct functions of the power. On the contrary, the deposition rate and the coating distribution vary with the voltage and the intensity of the plasma, assuming a fixed geometry of the set. For a given power, the speed and the distribution differ when the voltage For example, if the plasma power is 1 kilovolt-ampere, the speed and distribution will differ if the voltage is 600 volts and the intensity is 1.67 amps, compared to the speed and the distribution for a second. voltage of 300 volts and an intensity of 3.33 amps The difference in speed and distribution is due to the volume, shape and position of the plasma
par rapport à la surface d'émission de la cathode-cible 15. relative to the emission surface of the target cathode 15.
Dans le but de commander exactement la vitesse de dépôt et la distribution du revêtement pendant une certaine période, il est nécessaire de contrôler à la fois la tension du plasma et son intensité pour une puissance au plasma spécifique La tension et l'intensité du plasma pour une puissance donnée sont fonction de son impédance L'impédance su plasma est fonction de la géométrie du volume de traitement 13, de la pression du gaz dans ce volume, des caractéristiques du gaz inerte qui s'y trouve (par exemple 35 le potentiel d'ionisation) des contaminants dans le gaz de travail (par exemple l'oxygène et l'azote) ainsi que de la densité du champ magnétique dans le plasma et de la In order to control exactly the deposition rate and coating distribution over a period of time, it is necessary to control both the plasma voltage and its intensity for a specific plasma power. The plasma voltage and intensity for a given power is a function of its impedance The plasma impedance is a function of the geometry of the treatment volume 13, the pressure of the gas in this volume, the characteristics of the inert gas found therein (for example, the potential of ionization) of contaminants in the working gas (eg oxygen and nitrogen) as well as the density of the magnetic field in the plasma and the
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position de ce champ par rapport à la surface d'émission de la cible 15 Il sera supposé à juste raison que la géométrie du volume de traitement 13 est constante, que le gaz de la source 31 possède des caractéristiques prédéterminées et qu'il y a peu de contaminants dans le gaz grace à l'effet de pompage de la pompe 41 Ainsi, les deux variables qui peuvent être modifiées pour commander l'impédance du plasma sont la pression du gaz dans le position of this field with respect to the emission surface of the target 15 It will be rightly assumed that the geometry of the treatment volume 13 is constant, that the gas of the source 31 has predetermined characteristics and that there is As a result, the two variables that can be modified to control the impedance of the plasma are the gas pressure in the gas.
volume 13 et le champ magnétique appliqué par l'ensemble10 de cathode 17 à la cible 15 et au volume 13. volume 13 and the magnetic field applied by cathode assembly 17 to target 15 and volume 13.
Dans le passé, étant donné que des aimants permanents ont été généralement utilisés pour les ensembles de cathode, seulela pression du gaz de travail pouvait être déterminée Le contrôle du gaz de travail seul offre 15 une plage étroite de commande d'impédance du plasma Il est également impropre de supposer que les caractéristiques de l'aimant permanent pendant l'opération de revêtement par pulvérisation restent constantes car ( 1) la cible 15 est chauffée par le bombardement ionique, ( 2) la cible s'érode 20 de sorte que la section diminue et ( 3) la cible se dilate et se contracte En raison de cesfacteurs, il se produit des variations du champ fourni par l'aimant permanent a la cible et au voisinage de cette dernière dans le volume de traitement 13 Dans le passé, en raison de l'impédance du 25 plasma qui variait constamment en raison de ces facteurs, la tension de travail pour le plasma devait être sélectionnée et le courant de plasma pouvait varier En variante, un courant de plasma pouvait être sélectionné et la tension de plasma pouvait varier Dans ces deux cas, la vitesse de 30 dép Ot et sa distribution variaient et ne pouvaient pas In the past, since permanent magnets have generally been used for cathode assemblies, only the working gas pressure could be determined. The control of the working gas alone provides a narrow range of impedance control of the plasma. also improper to assume that the characteristics of the permanent magnet during the spray coating operation remain constant because (1) the target is heated by ion bombardment, (2) the target erodes 20 so that the section decreases and (3) the target expands and contracts because of these factors, variations in the field provided by the permanent magnet at the target and in the vicinity of the target in the treatment volume 13 In the past, Because of the constant plasma impedance due to these factors, the working voltage for the plasma had to be selected and the plasma current could vary. Alternatively, a plasma current could be selected and the plasma voltage could vary. In these two cases, the rate of change and its distribution varied and could not vary.
être bien contrôlées.be well controlled.
En utilisant un électro-aimant avec une commande en boucle fermée, avec la commande en boucle fermée de la pression dans le volume 13, l'impédance du plasma peut 35 être contrôlée avec précision Une commande précise de l'impédance du plasma permet un fonctionnement sélectionné et programmé à des valeurs voulues de tension et d'intensité By using an electromagnet with a closed-loop control, with the closed-loop control of the pressure in the volume 13, the impedance of the plasma can be precisely controlled. Precise control of the plasma impedance allows operation of the plasma. selected and programmed to desired values of voltage and intensity
23 254949623 2549496
dans le plasma, permettant ainsi une commande programmée de la vitesse de dépôt et de la distribution de la in the plasma, thus allowing a programmed control of the deposition rate and the distribution of the
matière de dépôt sur le substrat 14. deposition material on the substrate 14.
La commande automatique des opérations de l'appareil représenté sur la Figure 1 est assurée selon les organigrammes des Figures 3 et 4 Quand la cible 15 est initialement mise en place, l'opérateur fournit à la CPU 57 des valeurs indiquant la tension voulue du plasma, de son courant et de sa pression En réponse à ces para10 mètres commandés par l'opérateur, la CPU 57 initialise l'ensemble comme l'indique l'opération 101 L'opération d'initialisation 101 est représentée spécifiquement sur la Fig 4 L'opération d'initialisation 101 peut aussi être introduite après que toutes les opérations illustrées par 15 la Figure 3 ont été exécutées Dans ce cas, l'ensemble est automatiquement initialisé et continue à fonctionner jusqu'à ce qu'il soit arrêté automatiquement par le fait que la cible 15 est suffisamment érodée et ne peut plus servir. Quand l'ensemble a été initialisé pendant l'opération 101, des valeurs données sont lues séquentiellement dans l'unité d'entrée-sortie 55 pour des zones spécifiées de la mémoire CPU 57 En particulier, le signal indiquant le débit de gaz sur le conducteur 35, le signal de pression 25 sur le conducteur 52, le signal d'intensité du champ magnétique sur le conducteur 50, le courant dans la bobine 21 sur le conducteur 44, la tension du plasma sur le conducteur 45 et l'intensité du plasma sur le conducteur 46 sont charges continuellement dans des positions spécifiées de la mémoire 30 de la CPU 57 Etant donné qu'il est bien connu de lire séquentiellement des valeurs de données dans un système de commande par calculateur dans des positions de mémoire spécifiées, ces opérations ne sont pas illustrées sur The automatic control of the operations of the apparatus shown in FIG. 1 is ensured according to the flow charts of FIGS. 3 and 4. When the target 15 is initially put in place, the operator supplies the CPU 57 with values indicating the desired voltage of the plasma. In response to these operator controlled parameters, the CPU 57 initializes the assembly as indicated by the operation 101. The initialization operation 101 is shown specifically in FIG. Initialization operation 101 may also be introduced after all the operations illustrated in FIG. 3 have been executed. In this case, the set is automatically initialized and continues to operate until it is stopped automatically by the user. that the target 15 is sufficiently eroded and can no longer serve. When the set has been initialized during the operation 101, given values are read sequentially in the I / O unit 55 for specified areas of the CPU memory 57. In particular, the signal indicating the flow of gas on the 35, the pressure signal 25 on the conductor 52, the intensity signal of the magnetic field on the conductor 50, the current in the coil 21 on the conductor 44, the voltage of the plasma on the conductor 45 and the intensity of the The plasma on the conductor 46 is continuously charged to specified positions in the memory of the CPU 57 Since it is well known to sequentially read data values in a computer control system at specified memory locations, these operations are not illustrated on
l'organigramme de la Figure 3.the flowchart of Figure 3.
La première opération de commande exécutée par la CPU 57 implique la commande du débit de gaz de la source 31 vers le volume de fréquence 13 A cet effet, la pression The first control operation performed by the CPU 57 involves controlling the flow of gas from the source 31 to the frequency volume 13.
24 2549496.24 2549496.
de plasma mesurée et la pression de plasma voulue, mémorisées dansdes positions spécifiées de la mémoire de la CPU 57 sont lues pendant les opérations 102 et 103 dans une unitée arithmétique, non représentée, de la CPU 57. 5 L'unité arithmétique compare la pression mesurée et la pression voulue du plasma pendant l'opération 104 et en extrait un signal d'erreur indiquant la différence algébrique entre les deux pressions Le signal d'erreur résultant de l'opération de comparaison 104 est appliqué 10 à un moniteur proportionnel-intégral-différentiel (PID), non représenté, de l'unité arithmétique dans la CPU 57, à l'opération 105 Le moniteur PID déduit un signal de débit de gaz qui est transmis de la CPU 57,par la ligne omnibus 58 et l'unité d'entrée-sortie 55 vers le conducteur 61 pour commander l'ouverture de l'orifice variable 32 dans measured plasma and the desired plasma pressure, stored in specified positions of the memory of the CPU 57 are read during the operations 102 and 103 in an arithmetic unit, not shown, of the CPU 57. The arithmetic unit compares the pressure measured and the desired plasma pressure during the operation 104 and extracts an error signal indicating the algebraic difference between the two pressures. The error signal resulting from the comparison operation 104 is applied to a proportional-integral monitor -differential (PID), not shown, of the arithmetic unit in the CPU 57, to the operation 105 The PID monitor deduces a gas flow signal that is transmitted from the CPU 57, by the bus line 58 and the input-output unit 55 to the driver 61 to control the opening of the variable orifice 32 in
la conduite 33 Ainsi, le débit du gaz de la source 31-vers le volume 13 est commandé à la valeur voulue prédéterminée. Thus, the flow of gas from the source 31 to the volume 13 is controlled to the predetermined desired value.
L'opération 105 de commande PID modifie automatiquement le The PID control operation 105 automatically changes the
débit dans la conduite 33 dans le moindre temps, sans 20 dépassement ou oscillation. flow in line 33 in the shortest time, without exceeding or oscillation.
Ensuite, la tension du plasma est contrôlée dans la seconde boucle PID La tension de plasma mesurée et la tension de plasma voulue, mémorisées dans les parties spécifiées de la mémoire de la CPU 57 sont lues pendant les opérations 106 et 107 dans l'unité arithmétique, non représentée, de la CPU 57 L'unité arithmétique compare les valeurs à-l'opération 108 et en dérive un signal d'erreur, positif, nul ou négatif ayant une valeur proportionnelle à l'écart entre la tension voulue et la tension mesurée au 30 plasma Le signal d'erreur est fourni à la seconde boucle de commande fermée PID, non représentée, de la CPU 57 et un signal de commande à plusieurs bits est produit à l'opération 109 Le signal de commande est appliqué à la section d'entrée-sortie 55 et converti en une tension continue 35 analogique fournie par le conducteur 62 à la source programmable 25 d'alimentation de bobine Le signal analogique ainsi produit entraîne que la tension de la source Then, the plasma voltage is monitored in the second PID loop. The measured plasma voltage and the desired plasma voltage stored in the specified portions of the memory of the CPU 57 are read during operations 106 and 107 in the arithmetic unit. , not shown, of the CPU 57 The arithmetic unit compares the values with the operation 108 and derives therefrom a positive, zero, or negative error signal having a value proportional to the difference between the desired voltage and the voltage The error signal is supplied to the second closed PID control loop, not shown, of the CPU 57 and a multi-bit control signal is generated in the operation 109. The control signal is applied to the input-output section 55 and converted to an analog DC voltage supplied by the conductor 62 to the programmable coil power source. The analog signal thus produced causes the source voltage to
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d'alimentation 25 change (si le signal d'erreur de l'opération 108 n'est pas nul) entraînant ainsi une augmentation ou une diminution de l'intensité dansla bobine d'électroaimant 17. The power supply 25 changes (if the error signal of the operation 108 is not zero) thus causing an increase or decrease in the intensity in the solenoid coil 17.
L'augmentation ou la diminution du courant dans 5 la bobine change l'intensité du champ magnétique de fuite 25, changeant à son tour la concentration du plasma et par conséquent, son impédance L'impédance du plasma change pour produire une tension de plasma exactement égale à la tension voulue La tension du plasma est mesurée par un transducteur à transformateur d'intensité dans lasource d'alimentation de plasma 37 Un signal indiquant la tension du plasma est fourni par le conducteur 45 à la section d'entrée-sortie 55 dans laquelle elle est multiplexée à grande vitesse, en séquence avec d'autres signaux entrants, converti en un format numérique à plusieursbits par un convertisseur analogique- numérique, non représenté, et fourni à la CPU 57 o la valeur mesurée est à nouveau placée dans la partie de mémoire spécifiée réservée pour cette valeur Ainsi, la tension de plasma 20 réelle est mesurée continuellement et comparée avec la tension voulue pour contr Oler l'impédance du plasma par la commande du courant dans la bobine d'électroaimant 21 Le courant qui circule dans la bobine 21 est réglé continuellement pour amener vers zéro le signal d'erreur de tension 25 de plasma dans la seconde boucle fermée PID Le moniteur PID, par l'utilisation de ces valeurs proportionnelles, intégrales et dérivées règle la variable commandée, c'està-dire le courant dans la bobine de manière à obtenir une réponse très rapide, presque en temps réel, avec un dépas30 sement ou une oscillation minimale afin de compenser toutes les autres variations comme la pression du gaz et/ou la température de cible tendant à changer l'impédance du plasma et par conséquent, la tension réelle La tension du Increasing or decreasing the current in the coil changes the intensity of the leakage magnetic field 25, in turn changing the plasma concentration and hence its impedance. The plasma impedance changes to produce a plasma voltage exactly The voltage of the plasma is measured by an intensity transformer transducer in the plasma supply source 37. A signal indicative of the plasma voltage is provided by the conductor 45 to the input-output section 55 in FIG. it is multiplexed at high speed, in sequence with other incoming signals, converted into a digital bit rate format by an analog-to-digital converter, not shown, and supplied to the CPU 57 where the measured value is again placed in the Therefore, the actual plasma voltage is measured continuously and compared with the desired voltage for control. Ole the impedance of the plasma by controlling the current in the solenoid coil 21 The current flowing in the coil 21 is continuously adjusted to bring to zero the plasma voltage error signal in the second closed PID loop. PID monitor, by the use of these proportional, integral and derivative values sets the controlled variable, ie the current in the coil so as to obtain a very fast response, almost in real time, with an overshoot or minimum oscillation to compensate for all other variations such as gas pressure and / or target temperature tending to change the plasma impedance and therefore the actual voltage.
plasma est toujours commandée à une valeur préréglée et/ou 35 programmée. plasma is always controlled at a preset and / or programmed value.
26 254949626 2549496
La troisième boucle PID lit le courant de plasma mesuré, mémorisé dans une partie spécifiée de la CPU 57 pendant l'opération 110:ez-courant-de plasma voulu est lu dans une autre partie spécifiée de la CPU 57 5 pendant l'opération 111 Dans l'opération 112, la valeur voulue et la valeur mesurée du plasma sont comparées et un signal d'erreur, positif, négatif ou nul, dont la valeur est proportionnelle à l'écart entre la valeur mesurée et la valeur voulue de l'intensité estproduit et appliqué au moniteur PID de la CPU 57 Pendant l'opération 113, le moniteur PID produit un signal de commande en format numérique à plusieurs bits qui est appliqué à la section d'entrée-sortie 55 Le signal produit pendant l'opération 113 est converti par le convertisseur numérique-analogique, non représenté, de la section-55 en un signal continu analogique qui est transmis par un conducteur 63 à la source d'alimentation de plasma 37 Le The third PID loop reads the measured plasma current, stored in a specified portion of the CPU 57 during the desired 110: ez-plasma operation, is read into another specified portion of the CPU 57 during operation 111. In the operation 112, the desired value and the measured value of the plasma are compared and an error signal, positive, negative or zero, whose value is proportional to the difference between the measured value and the desired value of the Intensity is generated and applied to the PID monitor of the CPU 57. During operation 113, the PID monitor generates a multi-bit digital format control signal that is applied to the input-output section 55. The signal produced during the operation 113 is converted by the digital-to-analog converter, not shown, of the section-55 into an analog continuous signal which is transmitted by a conductor 63 to the plasma power source 37.
signal analogique sur le conducteur 63 actionne sélectivement la source d'alimentation à un niveau de puissance 20 plus élevé ou plus bas, si un changement est indiqué. Analog signal on the conductor 63 selectively actuates the power source at a higher or lower power level, if a change is indicated.
Le signal sur le conducteur 63, résultant d'une variation d'alimentation fournie au dispositif à magnétron pour un plasma avec une impédance constante ou à variation lente, doit normalement changer à la fois la tension du 25 plasma et son intensité Mais l'opération de la seconde boucle PID commande l'impédance du plasma et impose qu'un changement de puissance de plasma puisse résulter seulement d'une variation de son intensité, en supposant aucun changement de la tension sélectionné ou programmé par l'opérateur. 30 Si la tension du plasma tend à changer en réponse à une variation de son courant, la seconde boucle PID règle l'impédance du plasma en conséquence pour contrôler sa tension et la maintenir constante Le signal indirect produit par la troisième boucle PID augmente ainsi, diminue 35 ou maintient la puissance du plasma et n'entralne qu'une variation de son intensité vers la valeur sélectionnée par The signal on the conductor 63, resulting from a supply variation supplied to the magnetron device for a plasma with a constant or slowly varying impedance, should normally change both the plasma voltage and its intensity. the second PID loop controls the impedance of the plasma and requires that a change in plasma power can result only from a variation in its intensity, assuming no change in the voltage selected or programmed by the operator. If the plasma voltage tends to change in response to a change in its current, the second PID loop adjusts the plasma impedance accordingly to control its voltage and keep it constant. The indirect signal produced by the third PID loop thus increases. decreases or maintains the power of the plasma and only changes its intensity towards the value selected by
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l'opérateur ou programmée Le courant de plasma réel est mesuré par un transducteur à transformateur d'intensité et il est ramené par le conducteur 46 à la section d'entrée-sortie 55 dans laquelle le signal analogique est 5 converti en forme numérique à plusieurs bits et communiqué à la CPU 57 dans lequel la valeur est remise dans la partie The actual plasma current is measured by an intensity transformer transducer and is moved back by the conductor 46 to the input-output section 55 in which the analog signal is converted into a digital form with several inputs. bits and communicated to the CPU 57 in which the value is delivered in the part
de mémoire spécifiée.specified memory.
Il apparait ainsi que trois valeurs, à savoir ( 1) une pression de fonctionnement voulue, ( 2) une tension de fonctionnement voulue et ( 3) un courant de fonctionnement voulu sont introduits initialement dans la CPU 57 par sélection ou programmation par le programmateur en fonction des conditions souhaitables des opérations de pulvé15 risation à magnétron par rapport à la vitesse de dépôt, à It thus appears that three values, namely (1) a desired operating pressure, (2) a desired operating voltage and (3) a desired operating current, are initially introduced into the CPU 57 by selection or programming by the programmer. depending on the desirable conditions of the magnetron sputtering operations with respect to the deposition rate,
la distribution de matière et à la durée de vie de la cible. the distribution of material and the life of the target.
Trois boucles PID commandent le fonctionnement réel pour les valeurs programmées à l'avance ou sélectionnées Dans le présent mode de réalisation, illustré par la Figure 3, 20 les trois boucles PID sont executés en séquence, l'une après l'autre après l'initialisation de l'ensemble Pendant l'opération d'initialisation 101, la CPU 57 contrôle de nouvelles entrées ou des valeurs voulues programmées Ces opérations sont exécutées très rapidement, plusieurs fois 25 par seconde pour obtenir un effet global comme si les boucles PID fonctionnaient continuellement Le fonctionnement séquentiel résulte du type d'équipement de la CPU Three PID loops control the actual operation for the pre-programmed or selected values In the present embodiment, illustrated in FIG. 3, the three PID loops are executed in sequence, one after the other after the initialization of the assembly During the initialization operation 101, the CPU 57 controls new inputs or programmed programmed values. These operations are executed very rapidly, several times per second, to obtain an overall effect as if the PID loops were operating continuously. Sequential operation results from the type of CPU equipment
choisie Il est bien évident pour le spécialiste en calculateurs que les boucles PID peuvent fonctionner simultané30 ment et continuellement à volonté. It is obvious to the computer specialist that PID loops can operate simultaneously and continuously at will.
Dans un dispositif réellement construit selon le dessin, les valeurs contrôlées diffèrent des valeurs prédéterminéesde mois de 0,5 % Lorsqu'un changement de valeur voulue est effectué, le temps nécessaire pour que les 35 valeurs mesurées s'adaptent étroitement aux nouvelles valeurs voulues est fonction de la valeur du changement; In a device actually constructed according to the drawing, the controlled values differ from the predetermined month values by 0.5%. When a desired value change is made, the time required for the 35 measured values to fit closely to the desired new values is function of the value of the change;
dans le dispositif réalisé, cette adaptation se fait généralement en moins de deux secondes. in the device produced, this adaptation is generally done in less than two seconds.
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Un cycle complet depuis l'opération d'initialisation 101 jusqu'à la fin de la troisième boucle PIL 113 est appelée une exploration A la fin d'une exploration, la CPU 57 revient à l'opération 101 et contrôle de nouvelles valeurs prédéterminées ou programmées; une exploration est alors normalement répétée Chaque valeur voulue, prédéterminée ou programmée et chaque valeur réelle mesurée a une adresse unique ou une position unique dans la mémoire de la CPU 57; chaque valeur mémorisée est 10 accessible dans la mémoire pour être affichée sur un équipement compatible avec le calculateur utilisé Des valeurs peuvent être affichées sur un écran detube à rayons cathodiques, un appareil de mesure analogique, un dispositif d'affichage numérique et/ou elles peuvent être 15 imprimées par une imprimante compatible Un écran de tube à rayons cathodiques est particulièrement utile car son format d'affichage peut être programmé pour présenter les valeurs prédéterminées et les valeurs réelles les unes à côté des autres sur l'écran, de sorte que le fonctionnement 20 du processus contrôlé peut être vu, pratiquement en temps réel. Les opérations associées avec l'opération d'initialisation 101 sont illustrées sur la Figure 4 Les opérations illustrées sur l'organigramme de la Figure 3, à 25 l'exception de l'opération d'initialisation 101, assurent que pendant une opération de dépôt, le dispositif fonctionne aux valeurs voulues, ou très près de ces valeurs pour la pression de plasma, la tension de plasma et le courant de plasma Une autre commande évoluée est nécessaire pour qu'un 30 tel dispositif convienne à la commande automatique de l'opération de pulvérisation cathodique, par exemple conjointement avec un transport de substrat, pour assurer une commande précise des dépôts sur une série de substrats de matières différentes à revêtir,dans un lot, de façon continue, séquen35 tiellement ou par unité A un certain point par exemple, le plasma doit être produit dans la chambre de dépôt Ensuite, les paramètres de dépôt doivent être contrôlés étroitement A complete cycle from the initialization operation 101 to the end of the third PIL loop 113 is called an exploration At the end of a scan, the CPU 57 returns to the operation 101 and checks new predetermined values or programmed; an exploration is then normally repeated Each desired, predetermined or programmed value and each measured actual value has a unique address or a unique position in the memory of the CPU 57; each stored value is accessible in memory for display on equipment compatible with the computer used. Values may be displayed on a cathode ray tube screen, an analog meter, a digital display device and / or they may be The cathode ray tube screen is particularly useful because its display format can be programmed to present the predetermined values and the actual values next to each other on the screen, so that the operation 20 of the controlled process can be seen, practically in real time. The operations associated with the initialization operation 101 are illustrated in FIG. 4. The operations illustrated in the flowchart of FIG. 3, except for the initialization operation 101, ensure that during a store operation , the device operates at the desired values, or very close to these values for the plasma pressure, the plasma voltage and the plasma current. Another advanced control is necessary for such a device to be suitable for the automatic control of the device. sputtering operation, for example in conjunction with substrate transport, to provide precise control of deposits on a series of substrates of different materials to be batch coated continuously, sequentially or by unit at a certain point by For example, the plasma must be produced in the deposition chamber. Next, the deposition parameters must be closely monitored.
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quand le processus de revêtement s'effectue Quand le processus est terminé, la source doit être éteinte à un certain point Cela est vrai quel que soit le type de when the coating process is carried out When the process is completed, the source must be extinguished at some point This is true regardless of the type of
transport de substrat.substrate transport.
Dans une machine de dépôt sous vide du type à lot, dans laquelle un grand nombre de substrats sont introduits en un même lot pour être revêtus simultanément, In a batch type vacuum deposition machine, in which a large number of substrates are introduced in one batch to be coated simultaneously,
le plasma doit être déclenché quand le lot de substrats a été chargé dans la chambre de traitement qui ensuite 10 doit être amené rapidement en état de fonctionnement. the plasma must be triggered when the batch of substrates has been loaded into the treatment chamber which must then be brought rapidly into operating condition.
Cela se fait après d'autres fonctions comme le pompage et le dégazage Quand l'opération est terminée, le plasma doit être éteint de sorte que la chambre peut être évacuée This is done after other functions such as pumping and degassing When the operation is complete, the plasma must be turned off so that the chamber can be evacuated
et les substrats enlevés.and substrates removed.
Dans une machine du type continu, le cycle de traitement peut être beaucoup plus long car les substrats sont introduits dans la chambre à vide poussé de manière à ne pas perturber sérieusement le plasma Les substrats sont déplacés continuellement par plusieurs dispositifs 20 de dépôt, comme le magnétron illustré, et sortent de la chambre de manière à ne pas perturber sérieusement le plasma Mais le processus de dépôt par plasma doit être interrompu pour remplacer la matière de la cible lorsqu' elle est érodée, pour le nettoyage de routine et pour l'entretien des différents mécanismes intervenant dans le In a continuous type machine, the treatment cycle can be much longer because the substrates are introduced into the high vacuum chamber so as not to seriously disturb the plasma. The substrates are continuously moved by several deposition devices, such as the Magnetron shown, and leave the chamber so as not to seriously disturb the plasma But the plasma deposition process must be discontinued to replace the target material when it is eroded, for routine cleaning and for maintenance different mechanisms involved in the
transport et le traitement des substrats. transport and processing of substrates.
Dans une machine de traitement séquentiel, unité par unité, dans laquelle les substrats sont amenés'séquentiellement et individuellement à un poste de traitement, 30 les conditions d'allumage, de contrôle et d'extinction du plasma sont peut-être les plus critiques Chaque opération de dépôt doit être presque exactement-une réplique de toute autre opération de dépôt Si un isolement complet entre une opération de dépôt et d'autres dépôts séquentiels 35 est désiré, la pression du gaz de travail et tous les autres In a sequential processing machine, unit by unit, in which the substrates are brought to the treatment station individually and individually, the ignition, control and quenching conditions of the plasma are perhaps the most critical. Deposit operation must be almost exactly-a replica of any other deposit operation If complete isolation between a deposit operation and other sequential filings is desired, the working gas pressure and all others
paramètres de dépôt doivent être rétablis à chaque opération. Deposit settings must be restored at each operation.
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En plus des conditions d'allumage, de contrôle et d'extinction du plasma dans ces machines, il est très utile de vérifier le processus de manière que-la-durée de vie qui reste, ou l'état d'érosion de la matière de la cible soit connu Le profil de distribution de matière dans un dispositif de pulvérisation à magnétron est très sérieusement affecté par la manière dont la matière de la cible s'érode L'un des objets de l'invention est d'offrir un procédé et un dispositif de contrôle de la distribu10 tion de matière pendant toute la durée d'une cible par un contrôle étroit des paramètres du plasma afin de déterminer l'érosion de la matière de la cible Pour obtenir ce résultat souhaitable, il est nécessaire de programmer les variations des paramètres du plasma, c'est-à-dire la pression, la tension et le courant sur la base d'informations en temps réel sur l'état d'érosion de la matière de la cible Par conséquent, pendant l'opération d'initialisation 101 illustrée en détail sur la Figure 4, l'état d'érosion de la matière de la cible est mesurée à diffé20 rents instants pendant le fonctionnement global Ces informations sur l'état d'érosion sont ensuite utilisées conjointement avec des informations empiriques pré-programmées, In addition to the conditions of ignition, control and extinction of the plasma in these machines, it is very useful to check the process in such a way that-the-remaining-life, or the state of erosion of the material of the target is known The distribution profile of material in a magnetron sputtering device is very seriously affected by the way in which the material of the target erodes. One of the objects of the invention is to provide a method and a device for controlling the distribution of material throughout the duration of a target by close control of the plasma parameters to determine the erosion of the target material. To obtain this desirable result, it is necessary to program the variations in plasma parameters, ie pressure, voltage and current based on real-time information on the erosion state of the target material Therefore, during the operation initialization 101 illustrated in detail in FIG. 4, the erosion state of the target material is measured at different times during the overall operation. This erosion state information is then used in conjunction with pre-programmed empirical information. ,
sur la base d'essais antérieurs pour normaliser les paramètres du plasma afin d'obtenir l'effet voulu. based on previous attempts to normalize the plasma parameters to achieve the desired effect.
L'organigramme de la Figure 3 illustre la commande en boucle fermée des paramètres du plasma Cette commande en boucle fermée incorpore principalement une communication de signaux analogiques en temps réel entre la section d'entrée-sortie 55 et différents transducteurs et action30 neurs pour le processus, avec conversion vers et depuis un format d'informations numériques à plusieurs bits à la section d'entrée- sortie 55 pour la communication avec la CPU 57 à base numérique à plusieurs bits D'autres types de dispositifs d'entrée-sortie peuvent être utilisés, par 35 exemple des commandes discrètes Dans le cas de commandes discrètes, un seul bit est commandé par la CPU, par exemple The flowchart of Figure 3 illustrates the closed-loop control of the plasma parameters. This closed-loop control mainly incorporates real-time analog signal communication between the input-output section 55 and different transducers and processors for the process. , with conversion to and from a multi-bit digital information format at the I / O section 55 for communication with the multi-bit digital base CPU 57 Other types of I / O devices may be used, for example discrete commands In the case of discrete commands, a single bit is controlled by the CPU, for example
la CPU émet une sortie par tout ou rien vers une machine. the CPU emits an all-or-nothing output to a machine.
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La sortie vers la machine a une tension et des niveaux de puissance pour actionner un électroaimant, un moteur électrique, un relais ou un certain nombre d'autres dispositifs de commande qui peuvent déclencher des mouvements mécaniques, des fonctionnements de vannes, etc pour que la machine remplisse des fonctions discrètes de la manière voulue et dans la séquence voulue Ces sorties discrètes de commande de machine peuvent être programmées pour apparaître par rapport au temps ou par rapport à des états détectés, ou Jes deux L'état de la machine est détecté par des entrées discrètes, des signaux électriques provenant de commutateurs, de capteurs de proxilaité, de contacts de relais de points de réglage et de nombreux autres dispositifs étant convertis dans la section d'entréesortie 55 en des informations à un seul bit au niveau de tension utilisé par la CPU, pour être ensuite mémorisé dans la mémoire de la CPU comme des informations discrètes à un seul bit, c'est-à-dire comme des valeurs tout ou rien En utilisant un ensemble d'entrëes discrètes et une programmation logique, l'état de machine, souvent appelé état de système, entraîne que la machine remplisse certaines taches pour laquelle elle a été conçue, d'une manière planifiée, séquentielle et cyclique. Cette commande séquentielle discrète est bien connue dans la technique; si une telle commande est utilisée selon l'invention, la CPU peut être un microprocesseur, un moniteur programmable ou un calculateur qui commande la séquence des opérations d'une machinerie cyclique. The output to the machine has a voltage and power levels to operate an electromagnet, an electric motor, a relay or a number of other control devices that can trigger mechanical motions, valve operations, etc. so that the machine performs discrete functions in the desired manner and in the desired sequence These discrete machine control outputs can be programmed to appear in relation to time or in relation to detected states, or both. The state of the machine is detected by discrete inputs, electrical signals from switches, proximity sensors, setpoint relay contacts, and many other devices being converted in the outputted section 55 into single bit information at the voltage level used by the CPU, to then be stored in the memory of the CPU as discrete information to a single b it, that is, all-or-nothing values Using a set of discrete inputs and logic programming, the machine state, often called the system state, causes the machine to perform certain tasks for which it was designed in a planned, sequential and cyclical manner. This discrete sequential control is well known in the art; if such a command is used according to the invention, the CPU may be a microprocessor, a programmable monitor or a computer that controls the sequence of operations of a cyclic machinery.
Cette commande cyclique, telle que décrite, est utilisée selon l'invention et exécutée par la CPU 57 et la section d'entrée-sortie 55 pour produire certains événements cycliques; des exemples de ces événements sont la mise en marche et l'arrêt de la source d'alimentation de plasma 37, l'ouverture et la fermeture de soupapes, et le déplacement et la mise en place des substrats Les organigrammes et les modes de fonctionnement de cette commande discrète ne sont pas représentés car ils ne constituent pas une partie de This cyclic control, as described, is used according to the invention and executed by the CPU 57 and the input-output section 55 to produce certain cyclic events; examples of these events are switching on and off the plasma power source 37, opening and closing valves, and moving and placing substrates. Flowcharts and modes of operation of this discrete command are not represented because they do not constitute a part of
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la nature unique de l'invention; mais ces opérations the unique nature of the invention; but these operations
sont mentionnées de temps à autre dans la -description du are mentioned from time to time in the -description of the
processus d'initialisation 101 de la Figure 4. initialization process 101 of Figure 4.
La première phase 114 de l'opération d'initia5 lisation de la Figure 4 consiste à déterminer l'état du processus exécuté par la machine de la Figure 1, c'està-dire (a) si le processus est en cours d'exécution, (b) s'il est exécuté et prêt à l'arrêt, (c) s'il n'est pas exécuté et prêt au démarrage Ces informations sont mémorisées dans la matrice d'état de machine de la CPU 57 et sont déterminées par la séquence d'opérations discrètes programmées de la CPU Si les opérations exécutées par l'appareil de la Figure 1 se trouvent au point du cycle de fonctionnement programmé tel que le-processus de revête15 ment n'est pas en cours et que le plasma est éteint, le programme passe de l'opération 114 à l'opération 127 qui détermine si une séquence de normalisation doit être exécutée Si l'opération 127 détermine que la séquence de normalisation ne doit pas être effectuée, la séquence de 20 programme revient à l'opération 114 Si l'opération 114 détermine que le plasma est présent et que le processus est en cours, le programme passe à l'opération 102 de la Figure 3 pour continuer la commande du plasma aux valeurs choisies ou programmées Si l'opération 114 détermine que 25 l'état de système est l'arrêt mais que le plasma est prêt à être déclenché pour commencer la pulvérisation, le The first phase 114 of the initiating operation of FIG. 4 consists of determining the state of the process executed by the machine of FIG. 1, that is to say (a) if the process is running. (b) if it is executed and ready to stop, (c) if it is not executed and ready to start This information is stored in the machine status matrix of the CPU 57 and is determined by the sequence of programmed discrete operations of the CPU If the operations performed by the apparatus of Figure 1 are at the point of the programmed operating cycle such that the -coating process is not in progress and that the plasma is off, the program proceeds from operation 114 to operation 127 which determines whether a normalization sequence should be executed If operation 127 determines that the normalization sequence should not be performed, the program sequence returns to the operation 114 If the operation 114 det Since the plasma is present and the process is in progress, the program proceeds to step 102 of FIG. 3 to continue the control of the plasma at the chosen or programmed values. If the operation 114 determines that the system state is shutdown but that the plasma is ready to be triggered to start spraying, the
programme passe à l'opération 116. program goes to operation 116.
L'allumage du plasma dans le voisinage de la cible impose généralement que ce plasma se trouve dans des 30 conditions différentes de celles nécessaires pendant l'opération de pulvérisation Bien souvent, un plasma ne The ignition of the plasma in the vicinity of the target generally requires that this plasma is in conditions different from those required during the spraying operation.
s'allume pas à la pression de gaz de travail voulue pour la pulvérisation mais il peut être entretenu à cette pression. does not light at the desired working gas pressure for spraying but can be maintained at this pressure.
Il est aussi souvent vrai que le plasma ne s'allume pas à 35 une très faible valeur du champ magnétique de fuite mais It is also often true that the plasma does not ignite at a very low value of the leakage magnetic field but
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il est entretenu et fonctionne en pulvérisation après l'allumage avec une très faible intensité du flux magnétique qui peut être souhaitable pour le revêtement des substrats Il est donc nécessaire de prévoir une valeur programmée unique pour la pression d'allumage et/ou l'intensité du champ d'allumage afin d'obtenir un déclenchement sur Ces valeurs sont connues empiriquement et sont programmées dans la mémoire de la CPU 57 dans des it is maintained and operates as a spray after ignition with a very low magnetic flux intensity which may be desirable for the coating of substrates It is therefore necessary to provide a single programmed value for the ignition pressure and / or the intensity These values are known empirically and are programmed in the memory of the CPU 57 in
positions uniques spécifiées à cet effet. unique positions specified for this purpose.
A l'opération 116, la pression d'allumage voulue est lue dans la mémoire de la CPU 57 A l'opération 117, l'accès est donné à la première boucle PID de la Figure 3 pour obtenir une transition régulière afin que la pression du gaz de travail soit rapidement et définitivement établie -15 à la valeur voulue Ensuite, pendant l'opération 118, la pression réelle est comparée avec la pression d'allumage voulue Tant que la pression voulue et la pression mesurée diffèrent, le programme exécute à nouveau son cycle jusqu'à l'opération 117 Quand la pression réelle est égale à la 20 pression d'allumage voulue, le programme passe à l'opération 119 pendant laquelle la valeur d'allumage voulue du champ de fuite 25 ou du courant de la bobine 21 est lue At operation 116, the desired ignition pressure is read from the memory of the CPU 57. In operation 117, access is given to the first PID loop of FIG. 3 to obtain a smooth transition so that the pressure working gas is quickly and permanently set -15 to the desired value Then, during operation 118, the actual pressure is compared with the desired ignition pressure As long as the desired pressure and the measured pressure differ, the program executes at When the actual pressure is equal to the desired ignition pressure, the program proceeds to operation 119 during which the desired firing field or firing field ignition value is set. the coil 21 is read
et l'intensité du courant dans la bobine est commandée. and the intensity of the current in the coil is controlled.
Il y a trois philosophies possibles et différentes 25 de commande du courant appliqué à la bobine 21 pendant l'opération 119 Dans la première, une boucle fermée PID est programmée pour lire une valeur voulue du champ de fluide 25, pour comparer cette valeur avec le champ magnétique réel lu par la plaque de Hall 49 et fourni à la section d'entrée-sortie 55 sur le conducteur 50 Le moniteur PID de la CPU 57 réagit à un signal numérique indiquant le champ magnétique lu par la plaque 49 en produisant un signal d'erreur utilisé pour augmenter ou diminuer un signal analogique sur le conducteur 62 afin de commander 35 le courant de la source d'alimentation continue 25 et de l'enroulement 21 ce qui détermine à son tour le flux magnétique et le champ de fuite Le courant de la bobine 21 est modifié jusqu'à ce que la valeur voulue et la valeur mesurée du champ magnétique lues par-la plaque 49 se correspondent En variante, une boucle PID est 5 programmée pour comparer un courant d'entrée voulu de la bobine 21 avec le courant réel, ce qu'indique le signal sur le conducteur 44; la boucle PID en déduit un signal de commande qui est appliqué au conducteur 62 et qui est modifié jusqu'à ce que la valeur voulue et la 10 valeur mesurée de l'intensité dans la bobine se correspondent Une autre variante qui s'avère généralement suffisante en pratique consiste à éliminer une boucle PID Une valeur voulue de la bobine 21 est programmée comme un signal de valeur fixe sur le conducteur 62 Le courant 15 fixe dans la bobine est établi pour l'allumage-indépendamment de l'état d'érosion de la cible Etant donné que ce procédé est plus simple et le moins élaboré des trois, il est préférable si l'intensité du champ magnétique doit There are three possible and different philosophies for controlling the current applied to the coil 21 during the operation. In the first, a closed loop PID is programmed to read a desired value of the fluid field 25, to compare this value with the actual magnetic field read by the Hall plate 49 and supplied to the input-output section 55 on the conductor 50 The PID monitor of the CPU 57 responds to a digital signal indicating the magnetic field read by the plate 49 by producing a signal used to increase or decrease an analog signal on the conductor 62 to control the current of the DC power source 25 and the winding 21 which in turn determines the magnetic flux and the leakage field. Current of the coil 21 is changed until the desired value and the measured value of the magnetic field read by the plate 49 correspond. Alternatively, a PID loop is programmed to compare a neck. the desired input of the coil 21 with the actual current, as indicated by the signal on the conductor 44; the PID loop derives a control signal which is applied to the conductor 62 and which is modified until the desired value and the measured value of the intensity in the coil match another variant which is generally sufficient In practice, a PID loop is eliminated. A desired value of the coil 21 is programmed as a fixed value signal on the conductor 62. The fixed current in the coil is set for ignition-regardless of the erosion state of the coil. the target Since this process is simpler and the least elaborate of the three, it is preferable if the intensity of the magnetic field is
être élevée à une valeur supérieure à celle souhaitée 20 pour le traitement. to be higher than desired for the treatment.
Les opérations 117, 118 et 119 sont donc utilisees pour produire une valeur de pression unique du gaz de travail et une valeur unique du champ magnétique de fuite The operations 117, 118 and 119 are therefore used to produce a single pressure value of the working gas and a single value of the leakage magnetic field.
afin d'obtenir les conditions d'allumage du plasma. in order to obtain the conditions of ignition of the plasma.
* En général, le déclenchement du plasma se produit plus facilement avec des pressions du gaz relativement élevées Mais il y a une limite pratique supérieure à la pression du gaz du travail imposée par la conception fixée du système La capacité de la pompe à vide 41, la dimension de l'orifice de pompage et la capacité de l'électro-soupape( 32)* In general, the triggering of the plasma occurs more easily with relatively high gas pressures. But there is a practical limit higher than the working gas pressure imposed by the fixed design of the system. The capacity of the vacuum pump 41, the size of the pumping orifice and the capacity of the electro-valve (32)
de fourniture de gaz déterminent cette limite supérieure. of gas supply determine this upper limit.
L'intensité du champ magnétique de fuite 25, pour l'allumage du plasma, est basée sur le fait que l'allumage se produit plus facilement à des valeurs plus élevées du champ 35 de fuite Il en est ainsi car les champs de fuite forment des pièges à électrons plus efficaces Il est souvent vrai The intensity of the leakage magnetic field 25 for plasma ignition is based on the fact that ignition occurs more easily at higher values of the leakage field. This is so because the leakage fields form more efficient electron traps It's often true
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que l'application d'autres procédés, plus haute pression ou plus haute intensité du champ, peut convenir pour l'allumage du plasma Dans certains cas, les deux peuvent that the application of other processes, higher pressure or higher field strength, may be suitable for plasma ignition In some cases, both may
être utilisés.to be used.
Quand la pression du plasma et/ou l'intensité du champ magnétique qui sont nécessaires pour i'allumage ont été établies, le programme passe à l'opération 120 pendant laquelle la tension disponible en circuit ouvert 10 de la source d'alimentation de plasma 37 est appliquée à l'anode 16 et à la cathode 15 Etant donné que la tension disponible en circuit ouvert de la source d'alimentation de plasma 37 est la tension maximale qui peut être fournie par la source, le courant maximal d'électrons circule maintenant depuis la cathode cible 15 dans le volume de traitement 13 Les électrons émis sont piégés et se déplacent rapidement dans des trajectoires en spirale près de la surface de la cathode cible 15 sous l'effet des champs magnétiques et électriques croisés au voisinage de 20 la cathode cible Ce courant d'électrons énergétiques en présence du gaz de travail, généralement de l'argon, entraîne une ionisation des atomes d'argon dans le gaz de sorte que les ions d'argon charges positivement sont fermés, entraînant que plus d'électrons disponibles 25 supportent une décharge de plasma Jusqu'à ce qu'une décharge de plasma soit déclenchée, les valeurs voulues de la tension et de l'intensité de fonctionnement et toutes les manipulations se rapportant à l'impédance du plasma n'ont aucune signification car le plasma ferme le circuit élec30 trique entre l'anode 16 et la cathode 15 Ce n'est que lorsque le plasma est formé et devient stable, qu'il existe When the plasma pressure and / or the magnetic field strength required for ignition are set, the program proceeds to operation 120 during which the open-circuit voltage 10 of the plasma power source is available. 37 is applied to the anode 16 and to the cathode 15 Since the open circuit open voltage of the plasma power source 37 is the maximum voltage that can be supplied by the source, the maximum current of electrons flows. now from the target cathode 15 in the treatment volume 13 The emitted electrons are trapped and move rapidly in spiral paths near the surface of the target cathode 15 as a result of the magnetic and electrical fields crossed in the vicinity of the cathode. target cathode This current of energetic electrons in the presence of the working gas, usually argon, causes ionization of the argon atoms in the gas so that the ions of Argon positively charged charges are closed, resulting in more available electrons supporting a plasma discharge. Until a plasma discharge is triggered, the desired values of voltage and operating intensity and all manipulations related to the impedance of the plasma have no significance because the plasma closes the electrical circuit between the anode 16 and the cathode 15 It is only when the plasma is formed and becomes stable, that there exists
un courant, une tension et une impédance stable du plasma. a current, a voltage and a stable impedance of the plasma.
Quand la tension à circuit ouvert de la source d'alimentation de plasma 37 est appliquée entre l'anode 16 35 et la cathode cible 15 avec des valeurs de pression de plasma et d'intensité de champ magnétique qui conviennent pour établir l'allumage, l'opération 121 détecte cette allumage Pour détecter l'allumage du plasma, la tension de sortie et le courant de la source d'alimentation de plasma 37 sont vérifiés Un signal analogique indiquant la tension de sortie de la source 37 est fourni par un signal analogique continu de référence sur le conducteur 5 45, puis au multiplexeur 55 o il est converti et appliqué à la mémoire dela CPU 57 Un signal analogique indiquant le courant de sortie est fourni par le conducteur 46 à l'unité 55, traité de façon similaire et transmis à la mémoire de la CPU 57 Dans l'opération 121, sont contrôlées les valeurs de la mémoire de la CPU 57 indiquant l'internsité et la tension mesurés à la sortie de la source 37 Avant que le déclenchement du plasma se produise, les valeurs contrôlées sont la tension en circuit ouvert de la source d'alimentation 37 et le courant 15 extrêmement faible ou nul Quand le plasma s'allume, la tension de sortie de la source 37 décroît jusqu'à une nouvelle valeur bien en-dessous de la tension en circuit ouvert; la tension de sortie réelle de la source 37 est fonction de l'impédance en fonctionnement du plasma allumé En outre, quand le plasma s'allume, l'indication de courant de plasma s'élève depuis une valeur presque nulle jusqu'à une valeur qui dépend de l'impédance de ce plasma Cette variation de la tension et de l'intensité de sortie de la source d'alimentation du plasma 37 entralne 25 le passage du programme de calculateur de l'opération 122 à l'opération 102 de la Figure 3, dans laquelle de nouvelles valeurs de pression de plasma, de tension de plasma et de courant de plasma sont établies par le fonctionnement When the open-circuit voltage of the plasma power source 37 is applied between the anode 16 and the target cathode 15 with plasma pressure and magnetic field intensity values suitable for setting the ignition, the operation 121 detects this ignition. To detect the ignition of the plasma, the output voltage and the current of the plasma power source 37 are checked. An analog signal indicating the output voltage of the source 37 is provided by a signal. Continuous analog reference on the conductor 45, then to the multiplexer 55 where it is converted and applied to the memory of the CPU 57 An analog signal indicating the output current is provided by the conductor 46 to the unit 55, processed in a similar manner and in the memory of the CPU 57 In the operation 121, the values of the memory of the CPU 57 are checked, indicating the internsity and the voltage measured at the output of the source 37 Before the trigger When the plasma is turned on, the output voltage of the source 37 decreases to a minimum. new value well below open circuit voltage; the actual output voltage of the source 37 is a function of the operating impedance of the plasma being turned on. In addition, when the plasma is turned on, the indication of plasma current rises from a value of almost zero to a value of which depends on the impedance of this plasma This variation in the voltage and the output intensity of the plasma power source 37 causes the changeover of the computer program from operation 122 to operation 102 of FIG. Figure 3, in which new values of plasma pressure, plasma voltage and plasma current are established by operation.
des boucles PID N 1, N 2 et N 3; les nouvelles valeurs 30 sont les valeurs désirées pour la pulvérisation. PID loops N 1, N 2 and N 3; the new values are the desired values for spraying.
Quand l'allumage du plasma est détecté, le programme passe également à l'opération de temporisation 23. When the ignition of the plasma is detected, the program also proceeds to the timing operation 23.
Dans l'opération 123, l'accès est donné à une horloge interne de la CPU 57 Le temps écoulé depuis l'allumage du plasma est enregistré dans une adresse de la mémoire de la CPU 57 affectée àcet effet Le temps écoulé est comparé In the operation 123, access is given to an internal clock of the CPU 57 The time elapsed since the ignition of the plasma is recorded in an address of the memory of the CPU 57 assigned to this effect The elapsed time is compared
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X un tempsprogrammé à l'avance nécessaire pour que la pulvérisation se poursuive, et mémorisé dans une adresse séparée de la mémoire Cette caractéristique est utilisée pour des machines de traitement par lots ou des machines séquentielles dans lesquelles des substrats sont positionnés et traités un par un Elle n'est pas utilisée nécessairement avec des machines dans lesquelles une circulation continue contrôlée de substrats passe par un poste de traitement Dans ce dernier cas, le plasma est 10 généralement programmé de manière qu'il reste allumé jusqu'a ce qu'un opérateur introduise une commande d'interruption du processus Cette opération de temporisation fait partie du fonctionnement séquentiel discret d'une machine cyclique et non une partie intégrante de la 15 commande de processus de plasma selon l'invention ja commande précise des paramètres du plasma, par conséquent des paramètres de dépôt obtenus selon l'invention font que la temporisation de la poursuite de la pulvérisation constitue un procédé précis pour obtenir un contrôle d'épaisseur de matière aussi bien dans le traitement par X a preprogrammed time required for spraying to continue, and stored in a separate memory address This feature is used for batch machines or sequential machines in which substrates are positioned and processed one by one It is not necessarily used with machines in which controlled continuous circulation of substrates passes through a treatment station. In the latter case, the plasma is generally programmed so that it remains on until an operator This timing operation is part of the discrete sequential operation of a cyclic machine and not an integral part of the plasma process control according to the invention. deposition parameters obtained according to the invention make the delay of the Continued spraying is a precise method for obtaining material thickness control both in the treatment with
lots que le traitement unitaire des substances. batches than the unitary treatment of the substances.
Quand le temps de pulvérisation voulu pour le processus est écoulé, le programme passe à l'opération 124 pendant laquelle la source d'alimentation 37 est arrêtée 25 pour éteindre le plasma L'opération 124 peut aussi être exécutée immédiatement après l'opération 114 si, pendant cette dernière, il a été indiqué que la pulvérisation doit être arrêtée pour une raison quelconque Quand le plasma est éteint pendant l'opération 124, le programme revient 30 à l'opération 114 pendant que la commande de machine discrète se poursuit, entraînant la séquence voulue de la machine; des exemples de phases exécutées pendant l'opération 114 sont l'enlèvement d'un substrat terminé de la position de traitement et l'introduction d'un autre When the desired spraying time for the process has elapsed, the program proceeds to operation 124 during which power source 37 is turned off to turn off the plasma. Operation 124 can also be executed immediately after operation 114 if During the latter, it has been indicated that the spraying must be stopped for any reason. When the plasma is turned off during operation 124, the program returns to operation 114 while the discrete machine control continues, causing the desired sequence of the machine; examples of the phases executed during the operation 114 are the removal of a finished substrate from the treatment position and the introduction of another
substrat non traité à la place de celui qui a été enlevé. untreated substrate instead of the one that was removed.
Quand la commande discrète indique que le traitement recom- When the discrete command indicates that the treatment recom-
38 2549496:38 2549496:
mence, le programme passe à l'opération 116 pour commencer l'opération d'allumage de plasma de la manière mence, the program goes to operation 116 to start the plasma ignition operation the way
décrite ci-dessus.described above.
Quand l'allumage du plasma a été détecté pendant l'opération 121 et que l'opération de temporisation 123 est commencée, une opération de séquence mathématique 125 est déclenchée pour tenir compte de la durée de vie de la cible en kilowatts-heure utilisés A l'opération 125, la tension de plasma, son courant et le temps 10 pendant lequel une cible particulière a été utilisée sont multipliés ensemble et accumulés L'opération 125 donne une indication approximative d'usage de la cible comme un double contrôle pour éviter une érosion complète de la cathode cible 15 A l'opéfation 125, à un intervalle de tempsapproprié, par exemple une minute, la tension réelle du plasma et son courant réel sont lus dans la mémoire de la CPU 57 dans laquelle ces valeurs sont corrigées plusieurs fois par seconde, le courant réel et la tension réelle sont multipliés ensemble et le résultat est multi20 plié par le temps pour obtenir un produit qui est additionné au produit des mêmes varibles-dans la position de When the ignition of the plasma has been detected during the operation 121 and the timer operation 123 is started, a mathematical sequence operation 125 is triggered to take into account the lifetime of the target in kilowatt hours used A operation 125, the plasma voltage, its current and the time during which a particular target was used are multiplied together and accumulated. Operation 125 gives an approximate indication of use of the target as a double check to avoid a Complete erosion of the target cathode At oppression 125, at an appropriate time interval, for example one minute, the actual plasma voltage and its actual current are read into the memory of CPU 57 in which these values are corrected several times. per second, the actual current and the actual voltage are multiplied together and the result is multi-folded by the time to obtain a product which is added to the product of are the same variables-in the position of
mémoire de la CPU affectée à l'enregistrement des kilowattsheure utilisés d'une cathode cible. memory of the CPU assigned to record the kilowatt hours used of a target cathode.
Il est connu empiriquement qu'une cathode cible 25 15 constituée d'une certaine matière et avec une certaine épaisseur peut être utilisée avec un nombre approximatif de kilowatts-heure avant que la matière soit érodée au point que la cathode cible doit être remplacée pour éviter les dommages qui pourraient se produire si elle pouvait s'éroder 30 davantage La valeur empirique de fin de vie est programmée dans la mémoire de la CPU 57 La durée accumulée pour une cathode cible est comparée avec cette valeur programmée à l'avance chaque fois qu'un incrément de kilowatt- heure est additionné au chiffre de durée accumulée Quand la durée 35 accumulée est égale à la valeur de sécurité programmée à l'avance, un signal est émis pour avertir l'opérateur que la cathode cible particulière est près de sa fin de vie et doit être remplacée Cette disposition aide l'opérateur à planifier le temps de servicede La machine de manière à ne pas perturber la production prévue Lorsqu' 5 une nouvelle cathode cible est installée dans un dispositif à magnétron, l'opérateur effectue une mise au repos pour amener à zéro la partie de mémoire de durée cumulée dans la CPU 57, pour tenir compte de la nouvelle cathode It is known empirically that a target cathode made of some material and with a certain thickness can be used with an approximate number of kilowatt hours before the material is eroded to the point that the target cathode needs to be replaced to avoid the damage that could occur if it could further erode The end of life empirical value is programmed in the memory of the CPU 57 The accumulated time for a target cathode is compared with this value programmed in advance each time An increment of kilowatt-hours is added to the accumulated duration figure. When the accumulated duration equals the pre-programmed security value, a signal is emitted to warn the operator that the particular target cathode is close to its programmed value. end of life and needs to be replaced This arrangement helps the operator to plan the machine's service time so as not to disrupt production When a new target cathode is installed in a magnetron device, the operator quiests to zero the accumulated duration memory portion in the CPU 57 to account for the new cathode.
cible, opération 126.target, operation 126.
La technique décrite des kilowatts-heure accumulés est déjà connue Elle n'est pas la seule ni nécessairement la plus précise pour indiquer la fin de vie de toutes les matières de cathode cible Si la cathode cible 15 est constituée d 4 une matière perméable magnéti15 quement, l'invention englobe une solution plus-précise pour normaliser l'opération de dépôt en tenant compte des variations dues à l'érosion pendant la durée de la cathode The described technique of accumulated kilowatt-hours is already known. It is not the only, nor necessarily the most accurate, to indicate the end-of-life of all target cathode materials. If the target cathode consists of a magnetically permeable material , the invention encompasses a more-accurate solution for normalizing the deposition operation by taking into account erosional variations over the duration of the cathode
cible 15.target 15.
Si pendant l'opération 114 il est déterminé qu'aucune pulvérisation n'est faite, le programme passe à l'opération 127 pendant laquelle il est déterminé si le processus doit être normalisé Parmi les critères de détermination à l'opération 127 il faut noter: ( 1) la durée de pulvérisation écoulée depuis que la dernière normalisation a été effectuée, ( 2) la durée de vie incrémentée en kilowatts-heure depuis cette dernière normalisation, ( 3) une décision de l'opérateur sur la base des procédures d'assurance de qualité mesurée indiquant le besoin d'une normalisation Lorsque la CPU 57 a déterminé 30 qu'une normalisation doit être effectuée sur une cible magnétique, le programme passe à l'opération 128 pendant laquelle la pulvérisation est interrompue pendant un temps suffisant pour que la cathode cible magnétique 15 se refroidisse à une température à laquelle elle est considé35 rée comme stable magnétiquement Ce refroidissement de la cathode cible magnétique 15 est généralement nécessaire en raison de la tendance d'un matériau magnétique à présenter des propriétés magnétiques variables à des températures variables Le temps de refroidissement nécessaire est relativement court, de l'ordre de quelques secondes pour qu'une cathode se refroidisse à une température pratiquement en équilibre avec les passages d'eau de refroidissement,non représentés, dans le dispositif à If during operation 114 it is determined that no spraying is done, the program proceeds to operation 127 during which it is determined whether the process is to be normalized. Among the criteria for determining the operation 127 it is necessary to note (1) the spraying time elapsed since the last standardization was performed, (2) the lifetime increased in kilowatt-hours since the last normalization, (3) a decision of the operator based on measured quality assurance indicating the need for normalization When the CPU 57 has determined that normalization is to be performed on a magnetic target, the program proceeds to operation 128 during which spraying is interrupted for a time sufficient for that the magnetic target cathode 15 cools to a temperature at which it is considered as magnetically stable. This cooling of the cathode Magnetic flux 15 is generally necessary because of the tendency of a magnetic material to have variable magnetic properties at variable temperatures. The cooling time required is relatively short, of the order of a few seconds for a cathode a temperature substantially in equilibrium with the cooling water passages, not shown, in the device
magnétron 17.magnetron 17.
Quand le temps de refroidissement est écoulé, le programme passe à l'opération 129 pendant laquelle un signal programmé à l'avance est produit par la CPU 57 et appliqué à la section d'entrée-sortie 55, entraînant qu'un signal soit produit sur le conducteur 62, déclenchant la source d'alimentation de bobine 25 pour qu'elle fournisse 15 un courant prédéterminé à la bobine d'électroaimant 21 Le courant prédéterminé dans la bobine produit une certaine force magnéto-motrice dans un circuit magnétique fermé constitué par le cylindre polaire extérieur 23, le disque polaire 24, le cylindre polaire intérieur 22 et la cathode 20 cible 15 A l'exception de la cathode cible 15, ces parties du circuit magnétique fermé ne s'érodent ni ne changent pendant l'utilisation Par conséquent, à l'exception de la cathode cible 15, la section et par conséquent la réluctance en tousles points du circuit magnétique 25 fermé restent constantes Mais la section de la cathode cible diminue progressivement avec l'utilisation et l'érosion de la cible entraînant une augmentation de réluctance When the cooling time has elapsed, the program proceeds to operation 129 during which a preprogrammed signal is generated by the CPU 57 and applied to the I / O section 55, causing a signal to be generated. on the conductor 62, triggering the coil supply source 25 to provide a predetermined current to the solenoid coil 21 The predetermined current in the coil produces a certain magneto-motor force in a closed magnetic circuit constituted by the outer polar cylinder 23, the polar disk 24, the inner polar cylinder 22 and the target cathode 15 With the exception of the target cathode 15, these portions of the closed magnetic circuit do not erode or change during use. Therefore, with the exception of the target cathode 15, the section and consequently the reluctance at all points of the closed magnetic circuit remain constant. However, the section of the target cathode gradually imitates with the use and erosion of the target resulting in an increase of reluctance
du circuit magnétique.magnetic circuit.
Toutes les matières perméables magnétiquement ont 30 une capacité finie de couplage de flux magnétique; cette capacité (généralement appelée saturation magnétique) peut être exprimée comme une limite supérieure en flux par unité de surface sous la forme B = /A ou B est l'induction, c est le flux total dans le circuit et A est la section en 35 un point du circuit magnétique Quand l'invention est appliquée avec des matières de cible perméables magnétiquement, un champ de fluide 25 est établi en produisant une force magnéto-motrice dans le circuit magnétique en fournissant à la bobine 21 un courant d'intensité suffisant pour que le flux magnétique-e-n Y==dceîta-n p 6 intdela cathode cible 15 atteigne cette limite supérieure de saturation Pour la valeur de l'intensité dans la bobine, et par conséquent la force magnéto-motrice à laquelle la saturation de la cible 15 apparaît, la partie de la cathode cible 15 vers le cylindre polaire 23 devient un prolongement de ce dernier La partie de cathode 15 vers 10 le cylindre polaire intérieur 22 devient un prolongement de ce dernier Des pôles magnétiques de polarités opposées sont immédiatement voisins l'un de l'autre sur la surface de la cible, sur les côtés opposes du point de saturation Ces pôles magnétiques de polarités opposées 15 dans la cible 15 entraînent l'établissement d'ui 6 hampr de fuite Le champ de fuite émane de la surface de la cible et il est voisin de cette surface Lorsqu'un courant supplémentaire est appliqué à la bobine, au-dessus de la valeur entraînant la saturation de la matière de la 20 cible, aucun flux supplémentaire n'est couplé par la matière de la cible elle-même au point de saturation Il en résulte que l'intensité des pôles magnétiques opposés, aux points opposés de la cible augmente et que l'intensité du champ de fuite augmente Le champ de fuite apparaît 25 au-dessus et au-dessous de la cathode cible 15, c'est-àdire de chaque côté de la cathode L'impédance du plasma est alors commandée en modifiant l'intensité de fuite en faisant varier le courant dans la bobine 21 de manière All magnetically permeable materials have a finite magnetic flux coupling capability; this capacitance (generally called magnetic saturation) can be expressed as an upper flux limit per unit area in the form B = / A where B is the induction, c is the total flux in the circuit and A is the cross section. A Magnetic Circuit Point When the invention is applied with magnetically permeable target materials, a fluid field is established by producing a magneto-motor force in the magnetic circuit by providing the coil 21 with a current of sufficient intensity to that the magnetic flux in the target cathode reaches this upper limit of saturation For the value of the intensity in the coil, and consequently the magneto-motor force at which the saturation of the target 15, the part of the target cathode 15 towards the polar cylinder 23 becomes an extension of the latter. The cathode portion 15 towards the inner polar cylinder 22 becomes an extension of the The magnetic poles of opposite polarity are immediately adjacent to each other on the surface of the target, on the opposite sides of the saturation point. These magnetic poles of opposite polarities in the target 15 cause the establishment of 6 trapped haprn The trailing field emanates from the target's surface and is adjacent to this surface When an additional current is applied to the coil, above the value causing saturation of the target material no additional flux is coupled by the material of the target itself to the saturation point. As a result, the intensity of the opposite magnetic poles at the opposite points of the target increases and the intensity of the leakage field increases. The leakage field appears above and below the target cathode 15, i.e. on each side of the cathode. The plasma impedance is then controlled by varying the leakage intensity by varying the current in the coil 21 so
qu'il soit toujours au-dessus de la valeur nécessaire pour 30 la'saturation. that it is always above the value necessary for the saturation.
Pour mesurer l'érosion d'une cible magnétique 15, un courant fixé pour labobine 21 a une intensité supérieure à la valeur nécessaire pour saturer une cathode cible non érodée Sous ce courant de bobine, avec une 35 cible non érodée, l'intensité du champ de fuite est mesurée par la plaque de Hall 49 Quand la cible magnétique s'érode et que sa section au point de saturation diminue, il apparaît une saturation a une valeur inférieure du flux total Par conséquent, sur les côtés opposés du point de saturation de la cible 15 qui se 5 comporte en fait comme un entrefer, il apparaît une force magnéto-motrice dans le circuit magnétique supérieure à celle qui subsiste sur les côtés opposés du point de saturation de la cible non érodée, même en l'absence d'un changement du courant dans la bobine 21. 10 Il subsiste donc à l'entrefer une intensité du champ de To measure the erosion of a magnetic target 15, a fixed coil current 21 has an intensity greater than the value necessary to saturate a non-eroded target cathode. Under this coil current, with an un-eroded target, the intensity of the leakage field is measured by the Hall plate 49 When the magnetic target erodes and its section at the saturation point decreases, it appears a saturation at a lower value of the total flux Therefore, on the opposite sides of the saturation point of the target 15, which in fact behaves like an air gap, there appears a magneto-motor force in the magnetic circuit greater than that which subsists on the opposite sides of the saturation point of the non-eroded target, even in the absence of a change in the current in the coil 21. Thus, there remains at the air gap an intensity of the
fuite plus élevée après l'érosion de la cible qu'avant. higher leak after erosion of the target than before.
Cet effet d'augmentation de l'intensité du champ de fuite avec l'érosion croissante de la cible magnétique fait qu'il est crucial de normaliser les valeurs de plasma avec l'érosion de la cible L'intensité du champ de fuite mesurée avec un courant de bobine prédéterminé et fixe est une indication directe-sur l'épaisseur de la matière de la cible magnétique au point de saturation qui est This effect of increasing the intensity of the leakage field with the increasing erosion of the magnetic target makes it crucial to normalize the plasma values with the erosion of the target. The intensity of the leakage field measured with a predetermined and fixed coil current is a direct indication-on the thickness of the magnetic target material at the saturation point which is
également le point d'érosion maximal. also the point of maximum erosion.
Avec le courant normalisé appliqué pendant l'opération 129, le programme passe à l'opération 130 pendant laquelle un signal indiquant l'intensité du champ de fuite, produit par la plaque de Hall 49 sur le conducteur , est appliqué à la section d'entrée-sortie 55 de la CPU 57 et mémorisé dans une adresse de mémoire prédéterminée comme épaisseur de cible L'épaisseur réelle de la cible est liée à l'intensité du champ de fuite associée avec un courant prédéterminé dans la bobine, par un jeu de valeurs empiriques mémorisé dans une table de consultation 30 programmée à l'avance dans la mémoire de la CPU 57 Un contrôle périodique relativement fréquent est donc effectué des conditions réelles d'érosion de la matière de la cible magnétique Si le contrôle périodique indique une érosion excessive, la CPU 57 déclenche un signal d'inhibi35 tion ou un signal d'arrêt pour éviter tout dommage aux With the normalized current applied during the operation 129, the program proceeds to the operation 130 during which a signal indicating the intensity of the leakage field, produced by the Hall plate 49 on the conductor, is applied to the section of FIG. input-output 55 of the CPU 57 and stored in a predetermined memory address as target thickness The actual thickness of the target is related to the intensity of the leakage field associated with a predetermined current in the coil, by a set of Empirical values stored in a look-up table 30 programmed in advance in the memory of the CPU 57 A relatively frequent periodic check is thus made actual conditions of erosion of the material of the magnetic target If the periodic check indicates excessive erosion , the CPU 57 triggers an inhibit signal or a stop signal to prevent damage to the
équipements ou un manque de sécurité possible pouvant appa- equipment or a lack of possible security that may
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rattre si une cathode cible 15 presque complètement ratter if a target cathode 15 almost completely
érodée était maintenue enfonctionnement. eroded was kept in motion.
La mesure périodique de l'état d'érosion d'une cathode magnétique 15 pendant l'opération 130 permet d'introduire de nouvelles valeurs voulues corrigées pour la pression de fonctionnement, la tension du Periodic measurement of the erosion state of a magnetic cathode during operation 130 allows the introduction of new corrected desired values for the operating pressure, the voltage of the
plasma et son courant, pendant l'opération 131 pour les paramètres de dépôt des boucles PID N 1, N 2, et N 3. plasma and its current during operation 131 for the deposition parameters of PID loops N 1, N 2, and N 3.
Grâce à une connaissance empirique, une table de valeurs 10 de champ magnétique de fuite liées à l'érosion est programmée à l'avance dans la mémoire de la CPU 57 Chaque fois qu'une mesure d'état d'érosion est faite, une comparaison est effectuée avec cette table A certains points, se rapportant à l'érosion de la cible, de nouvelles 15 valeurs sont automatiquement introduites de la table dans les adresses de mémoire pour les valeurs de paramètres de plasma de sorte qu'une compensation automatique est assurée pour obtenir la vitesse de dépôt et la distribution de profil de matière dans les spécifications vou20 lues Le programme revient ensuite à l'opération 114 de la Thanks to empirical knowledge, an erosion-related magnetic field value table 10 is programmed in advance in the memory of the CPU 57. comparison is made with this table At some points, pertaining to the erosion of the target, new values are automatically introduced from the table into the memory addresses for the plasma parameter values so that an automatic compensation is provided to obtain the deposition speed and the material profile distribution in the desired specifications. The program then returns to operation 114 of the
procédure d'initialisation de la commande de processus. procedure for initializing the process control.
Bien que cela n'apparaisse pas spécifiquement sur les organigrammes de commande de processus de la Figure 3 et de la Figure 4, une procédure similaire peut être appli25 quée pour mesurer l'état d'érosion et pour la normalisation Although this does not appear specifically on the process control flowcharts of Figure 3 and Figure 4, a similar procedure can be applied to measure erosion status and for standardization.
d'une matière de cathode cible non magnétique. a non-magnetic target cathode material.
Dans le cas d'une matière de cible non magnétique, le champ de fuite 25 n'émane plus de la cible elle-même comme d'un prolongement des structures polaires, mais des 30 extrémités des structures polaires 22 et 23 voisines de la cathode cible 15 Avec des cibles non magnétiques, ce champ de fuite ne change pas beaucoup avec la température de la cible et la position et l'intensité du champ ne varient pas avec l'érosion de la cible Mais la-position et l'in35 tensité du champ de fuite par rapport à la surface de la cathode change avec l'érosion de la cible car la surface, lorsqu'elle s'érode, se trouve à des positions différentes In the case of a non-magnetic target material, the leakage field 25 no longer emanates from the target itself as an extension of the polar structures, but from the ends of the polar structures 22 and 23 adjacent to the cathode With nonmagnetic targets, this leakage field does not change much with the target temperature and the position and intensity of the field do not vary with the erosion of the target but the position and the intensity. the leakage field relative to the surface of the cathode changes with the erosion of the target because the surface, when eroded, is at different positions
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par rapport au confinement de plasma produit par le champ Quand une-cible non magnétique s'érode et que le courant dans la bobine 21 reste inchangé, l'impédance du plasma augmente progressivement en fonction de l'érosion de la cible Cette variation d'impédance ehtralne une diminution progressive de la tension du plasma à moins que cette tension voulue soit normalisée périodiquement avec l'érosion de la cible Les opérations de normalisation 128-131 pour une matière de cible non magnétique 10 sont effectuées avec le plasma allumé car le champ de fuite est affecté seulement pas l'impédance du plasma quand la cible s'érode Cela est contraire à la normalisation avec une cible magnétique qui se fait sans allumage du plasma Pour des matières de cible non magné15 tique, la normalisation peut être déclenchée de la manière décrite ci-dessus pour des matières magnétiques en fonction de ( 1) des intervalles de temps programmés à l'avance, ou ( 2) des kilowatts-heure accumulés ou ( 3) la With respect to the plasma confinement produced by the field When a non-magnetic target is eroded and the current in the coil 21 remains unchanged, the impedance of the plasma increases gradually as a function of the erosion of the target. Eternal impedance a gradual decrease in plasma voltage unless this desired voltage is periodically normalized with target erosion Normalization operations 128-131 for a non-magnetic target material 10 are performed with the plasma lit as the field leakage is affected only not the impedance of the plasma when the target is eroding This is contrary to the normalization with a magnetic target that is done without ignition of the plasma For non-magnetic target materials, the normalization can be triggered from the as described above for magnetic materials according to (1) time intervals programmed in advance, or (2) kilowatt-hours accumulated or (3) the
volonté de l'opérateur.will of the operator.
Avec le plasma allumé à une pression normalisée, programmée à l'avance, deux autres procédés peuvent être utilisés pour vérifier l'érosion d'une cible non magnétique Dans le premier de ces procédés, un courant normal est appliqué à la bobine 21 et la tension de plasma surveillée avec un courant de plasma programmé est prélevé comme une indication d'état d'érosion Il est connu qu'avec une pression normale de plasma, un courant normal dans la bobine et un courant normal de plasma, la tension de plasma surveillée est une indication directe de son 30 impédance et par conséquent, une indication directe sur l'érosion de la cible En variante, l'érosion d'une cible non magnétique peut être déterminée en appliquant une tension normalisée de plasma, une pression normalisée de plasma et un courant normalisé de plasma Le courant dans 35 la bobine 21 nécessaire pour établir ces conditions est mesuré pour indiquer l'érosion de la cible Dans un cas comme dans l'autre, le résultat est comparé avec des valeurs dans une table qui contient des données empiriques qui lient l'érosion à -la tension-du-lm-asma ou le courant dans la bobine, en condition normalisée A par5 tir de la comparaison, de nouvelles entrées sont faites pour la pression, la tension et le courant voulus du plasma afin d'assurer une commande de la vitesse de dépôt et du profil de dépôt de matière dans les spécifications établies par les boucles PID n 1, n 2 et n 3. 10 L'invention a été décrite et illustrée en se référant à un ensemble de cathode de forme générale circulaire, annulaire et concentrique, avec un électroaimant sous forme d'une bobine qui produit le champ magnétique nécessaire pour la concentration et l'amélio15 ration du plasma Mais l'invention peut également D. s'appliquer à des ensembles de cathode d'autres formes et configurations, y compris celles appelées dans la technique des magnétrons plans souvent de forme rectangulaire L'invention peut aussi s'appliquer à des ensembles 20 de cathode utilisant ces principes pour établir et commander plusieurs anneaux ou circuits de plasma, soit sur une seule matière de cible ou avec plusieurs cibles En variante, un électroaimant variable, alimenté en courant continu ou alternatif peut être utilisé conjointement avec des aimants permanents pour obtenir la capacité de flux totale, une partie du flux étant produite par une combinaison des aimants permanents et d'un électroaimant variable assurant une plage limitée de variation de l'intensité du champ de fuite En outre, d'autres moyens pour 30 modifier l'intensité du flux magnétique peuvent être utilisés, comme un positionnement mécanique des aimants permanents ou la création d'entrefers contrôlables dans With the plasma switched on at a pre-programmed normalized pressure, two other methods can be used to check the erosion of a non-magnetic target. In the first of these methods, a normal current is applied to the coil 21 and the Plasma voltage monitored with a programmed plasma current is taken as an indication of erosion status It is known that with normal plasma pressure, a normal coil current and a normal plasma current, the plasma voltage This is a direct indication of its impedance and therefore a direct indication of target erosion Alternatively, the erosion of a non-magnetic target can be determined by applying a normalized plasma voltage, a normalized Plasma and a normalized plasma current The current in the coil 21 needed to establish these conditions is measured to indicate the erosion of the target. In addition, the result is compared with values in a table that contains empirical data that link erosion to the voltage-of-lm-asma or the current in the coil, in a standardized condition A par5 from the comparison, from new inputs are made for the desired plasma pressure, voltage, and current to provide control of the deposition rate and material deposition profile in the specifications established by PID loops # 1, # 2, and # 3 The invention has been described and illustrated with reference to a generally circular, annular and concentric cathode assembly with an electromagnet in the form of a coil which produces the magnetic field necessary for concentration and improvement. However, the invention can also be applied to cathode assemblies of other shapes and configurations, including those known in the art of planar magnets often of rectangular shape. The invention can also be applied to cathode assemblies using these principles to establish and control a plurality of plasma rings or circuits, either on a single target material or with multiple targets. Alternatively, a variable electromagnet, supplied with direct or alternating current. may be used in conjunction with permanent magnets to achieve total flux capacity, with part of the flux being produced by a combination of permanent magnets and a variable electromagnet providing a limited range of variation of the leakage field strength. other means for modifying the intensity of the magnetic flux can be used, such as mechanical positioning of the permanent magnets or creation of controllable gaps in
le circuit magnétique de retour.the magnetic return circuit.
Il est bien évident que de nombreuses modifica35 tions de détail peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits et illustrés sans sortir du cadre ni It is obvious that many detailed modifications can be made to the described and illustrated embodiments without departing from the scope of the invention.
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de l'esprit de l'invention En particulier, l'invention a été décrite et illustrée en regard d'un seul dispositif à magnétron dans une seule chambre Il est bien évident pour le spécialiste dans la technique du vide et de la fabrication que les avantages de l'invention peuvent s'appliquer particulièrement au cas o il est souhaitable d'appliquer plusieurs revêtements sous vide sur un seul substrat, dans une séquence planifiée C'est grâce à une commande précise du plasma et des paramètres de dépôt et 10 à la possibilité de répéter les opérations séquentielles d'une manière cyclique selon l'invention que ce traitement séquentiel est faisable et économique L'invention s'applique aussi particulièrement lorsqu'il y a lieu que les opérations séquentielles soient totalement isolées les unes des autres, apportant la possibilité d'exécuter des opérations séquentielles de pulvérisation qui ne sont pas compatibles entre elles, par exemple un dépôt à magnétron à courant continu dans une opération, un dépôt réactif dans une autre et un dépôt à haute fréquence d'une matière diélectrique dans une autre Selon l'invention, il est possible de plaquer, de nettoyer, de dégager et d'attaquer, ou d'exécuter toutes autres opérations In particular, the invention has been described and illustrated with reference to a single magnetron device in a single chamber. It is obvious to the specialist in vacuum technology and manufacturing that the Advantages of the invention can be particularly applicable to the case where it is desirable to apply several vacuum coatings on a single substrate in a planned sequence. This is due to precise control of the plasma and deposition parameters and the possibility of repeating the sequential operations in a cyclic manner according to the invention that this sequential treatment is feasible and economical The invention also applies particularly when the sequential operations must be totally isolated from each other, providing the possibility of performing sequential sputtering operations which are not compatible with each other, for example a magnetron deposition in one operation, a reactive deposit in another and a high frequency deposition of a dielectric material in another According to the invention, it is possible to press, clean, disengage and attack, or perform all other operations
dans la même série séquentielle.in the same sequential series.
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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