DE19705884A1

DE19705884A1 - Plasma-Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE19705884A1
Application number: DE1997105884
Authority: DE
Inventors: Vladimir Ibl; Roland Dr Gesche; Guenter Wurpts
Original assignee: Leybold AG; Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1997-02-15
Filing date: 1997-02-15
Publication date: 1998-08-20

Description

Die Erfindung betrifft eine gattungsgemäße Vor richtung zum Zünden eines Plasmas für die Katho denzerstäubung gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Die Behandlung von Werkstückoberflächen mittels plasmagestützten Verfahren ist bekannt. Derartige Verfahren sind z. B. als Plasmadiffusion, Plasma-Chemical-Vapour-Deposition, Physical-Vapour-Deposition (PVD) Plasma-Ätzen, Plasma-Polymerisation oder Ionenimplantation bekannt. Bei derartigen verfahren werden die zu behandelnden Werkstücke zunächst in eine abgeschlossene Behand lungskammer eingebracht, welche sodann auf Unter druck evakuiert wird, um anschließend mit einem Gas oder Gasgemisch bis zu einem Druck p zwischen 1×10^-2 mbar und 1×10^-4 mbar gefüllt zu werden.

Um ein für die vorgenannten Verfahren geeignetes Plasma herzustellen, befinden sich in der Behand lungskammer eine Kathode und eine Anode, zwischen denen ein elektrisches Feld derartig eingestellt ist, daß nach Zündung des Plasmas letzteres zwi schen der Kathode und der Anode aufrecht erhalten wird. Zum Aufbringen dünner Schichten auf Substra te besteht die Kathode selbst aus dem zu zerstäu benden, z. B. auf den Werkstücken aufzubringenden Schichtmaterial. Die im Plasma erzeugten Ionen werden auf die Kathode hin beschleunigt und zer stäuben diese, wobei sich das zerstäubte Kathoden material schichtweise auf der Werkstückoberfläche unter Ausbildung einer homogenen Einzelschicht oder einer abwechselnden Schichtenfolge zu einer Gesamtschicht niederschlägt. Bei sämtlichen vorge nannten Plasmabehandlungsverfahren ist gewünscht, daß das Plasma ohne Verzögerung und ohne Ausbil dung von Plasmainstabilitäten während der Plasma zündphase auf die zu behandelnden Werkstücke ein wirken kann. Bei den herkömmlichen Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmas konnten derartige zeitliche Schwankungen der Plasmakenngrößen sowohl bei der Plasmazündung als auch während des Plasma betriebes nicht ausreichend verhindert werden, was z. B. bei der Kathodenzerstäubung nachteilig zu in ihrer Schichtdicke inhomogenen aufgesputterten Schichtenfolgen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zu verlässige Plasmazündvorrichtung bereitzustellen, mittels welcher sowohl der Plasmazündprozeß repro duzierbar einstellbar ist, aber auch mit der das Plasma mit definierten reproduzierbaren Plasma kenngrößen betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patent anspruchs 1 dadurch gelöst, daß in der das Plasma einschließenden Behandlungskammer Mittel vorgese hen sind, mit welchen freie Ladungsträger erzeug bar sind, welche mit dem zu zündenden, noch nicht ionisierten Gas und/oder dem gezündeten Plasma wechselwirken. Auf Grund ihrer thermi schen/kinetischen Energie stoßen diese freien La dungsträger mit einzeln in der Behandlungskammer vorhandenen Gasatomen zusammen, wobei diese Gas teilchen ionisiert werden. Diese ionisierten Gas teilchen werden anschließend in dem zwischen der Sputterkathode und der zugehörigen Anode aufgebau ten elektrischen Feld derartig beschleunigt, daß weitere Ladungsträgerlawinen entstehen, welche sich über die gesamte Entladungszone des Plas maraums erstrecken, so daß das Plasma zu einer selbständig brennenden Entladung gezündet wird.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß das Plasma wegen der defi nierten Regelung der Menge der frei erzeugbaren Ladungsträger ohne zeitliche Instabilitäten sowohl während des eigentlichen Zündzeitpunktes aber auch während der nachfolgenden Plasmaentladung erzeugt werden kann. Durch die Stoßionisation der freige setzten Ladungsträger wird insbesondere zu Beginn der Plasmazündung das Plasmagas besonders effektiv und mit einem wesentlich höheren Ionisationsgrad und Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Vorrichtun gen ionisiert. Durch die Erfindung erfolgt die Plasmaeinwirkung auf die zu bearbeitenden, insbe sondere mittels Kathodenzerstäubung zu beschich tenden Werkstoffoberflächen zeitlich stabil, wo durch die aufgetragenen Schichten homogen und frei von durch Instabilitäten des Plasmas freigesetzten Partikeln aufwachsen.

Wie im Anspruch 2 und 3 vorgeschlagen, bestehen die die Ladungsträger erzeugenden Mittel aus einem oberhalb seiner Glühtemperatur erwärmbaren Draht element bzw. Heizfaden. Zur Erwärmung dieses Heiz fadens ist dieser mit einer elektrischen Versor gung verbunden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Glühdraht vor und zum Zünden des Plasmas auf ein elektrisches Potential im Be reich von - 15 V bis - 25 V, vorzugsweise auf - 20 V zu legen. Der Heizstrom beträgt hierbei zwischen 1,0 mA und 1,8 mA, vorzugsweise 1,4 mA.

Nach Zündung des Plasmas wird der Emissionsstrom des Glühfadens auf einen Wert zwischen 1,4 mA und 2,2 mA, vorzugsweise 1,8 mA eingestellt und die Vorspannung U_P auf einen Wert zwischen + 15 V und + 25 V, vorzugsweise + 20 V eingestellt.

Durch die vorgenannten Potentialverhältnisse wird der Glühdraht vorteilhaft insbesondere vor der Einwirkung des brennenden Plasmas selbst ge schützt, da die im Plasma erzeugten positiven La dungsträger z. B. Ionen am Vorspannungspotential des Heizdrahtes abgestoßen werden. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß durch Messung der Vorspannung U_P sowie des Emissionsstromes I_E die Plasmaentla dung während der Brennphase des Plasmas detektier bar ist.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Figur dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In einer Plasmabehandlungskammer 1 befinden sich, im wesentlichen einander gegenüber liegend ange ordnet, mindestens eine als Kathode 9 und als An ode 11 geschaltete Elektroden, welche an der Strom- bzw. Spannungsversorgung 14, 16 durch Lei terdurchführungen 5 elektrisch von der Kammerwand 3 isoliert angeschlossen sind. Zum Beschichten oder zum Ätzen von Werkstoffoberflächen befinden sich die in der Zeichnung nicht dargestellten Werkstücke z. B. zwischen der Anode 11 und der Ka thode 12 bzw. sind die zu beschichtenden Werkstücke Teil der Anode 11 selbst und das zu zerstäubende, aufzutragende Material Teil der Kathode 9. Zum Zünden eines Plasmas zwischen der Kathode 9 und der Anode 11 wird die Plasmabehandlungskammer 1 zunächst über in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpeinrichtungen durch den Abpumpstutzen 17 auf einen Unterdruck von ca. 10^-4 mbar evakuiert. Über einen Gaseinlaß 7 wird anschließend das zu verwendende Plasmagas, z. B. ein Edelgas oder N₂, O₂, in die Behandlungskammer 1 eingelassen, wobei ein Kammerdruck p im Bereich von 5×10^-4 mbar bis 5×10^-2 mbar eingestellt wird. Zum Zünden des Plas mas wird zwischen die Kathode 9 und die Anode 11 zunächst eine Zündspannung angelegt. Um die Plas mazündung zu bewirken, wird anschließend der mit einer vakuumdichten Leiterdurchführung 5 in die Kammerwand 3 ragende Glühdraht 6 mittels Strom durchgang oberhalb seiner Glühtemperatur aufge heizt. Die dabei aus dem Glühdraht 6 emittierten Elektronen lösen in dem zwischen der Kathode 9 und der Anode 11 befindlichen Plasmagas Ionisations prozesse aus, mittels welcher die anschließende Entladung des Plasmagases initiiert wird. Zum Zün den des Plasmas 2 wird der Glühdraht 6 auf ein ge genüber der Kammerwand negatives Potential U_P von - 20 V elektrisch vorgespannt. Der Emissionsstrom I_E beträgt 1,4 mA. Nach Zünden des Plasmas steigt der Emissionsstrom I_E auf einen Wert von 1,8 mA, wobei die Vorspannung U_P des Glühdrahtes 6 sich auf + 20 V ändert.

Die Vorspannung U_P wird über einen zwischen dem Glühdraht 6 und einer zusätzlichen Vorspannungs versorgung 12 geschalteten Widerstand 10 zuge führt. Zur Kontrolle des Plasmas 2 werden sowohl die über den Widerstand 10 abfallende Vorspannung U_P mit dem Spannungsmeßgerät 13 wie auch der Emis sionsstrom I_E, z. B. in der Emissionsstromversor gung 12, elektrisch gemessen. Da zeitliche Insta bilitäten im Brennverhalten des Plasmas sowohl den Wert U_P wie auch I_E beeinflussen, kann durch Ver gleich dieser Strom- und Spannungswerte eine Plas maregelung unter Steuerung des Kathoden- bzw. An odenstroms bzw. -spannung erfolgen, mittels wel cher zeitliche Schwankungen der charakteristischen Plasmakenngrößen unterdrückt werden können.

Bezugszeichenliste

1

Plasmabehandlungskammer

2

Plasmaraum

3

Kammerwandung

4

Plasmazündvorrichtung

5

Leiterdurchführung

6

Glühdraht

7

Gaseinlaßeinrichtung

8

Heizstromversorgung

9

Kathode

10

Widerstandselement

11

Anode

12

Emissionsstromversorgung

13

Spannungsmeßgerät

14

Kathodenversorgung

15

Ladungsträger

16

Anodenversorgung

17

Abpumpstutzen

Claims

1. Vorrichtung zum Zünden eines Plasmas für die Kathodenzerstäubung, gekennzeichnet durch La dungsträger (15) erzeugende Mittel (4), wobei die Ladungsträger (15) in einer zwischen dem als Plasma (2) zu zündenden Gas und dem die Ladungsträger (15) erzeugenden Mitteln (4) anliegenden elektrischen Potential U_P in Rich tung auf den Plasmaraum (2) beschleunigbar sind, wodurch das in den Plasmaraum (2) ein gelassene Gas durch Stoßionisation der La dungsträger (15) ionisiert wird und als Plas magasentladung zündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die die Ladungsträger (15) er zeugenden Mittel (4) mindestens einen durch Stromdurchfluß erwärmbaren elektrischen Lei ter (6) aufweist, wobei der elektrische Lei ter (6) auf mindestens eine Glühtemperatur erwärmbar ist, wodurch Elektronen (6) von der Oberfläche des Leiters vorzugsweise in Rich tung des Plasmaraums (2) thermisch emittiert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter aus Wolfram, vorzugsweise in Form ei nes Drahtes (6), hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Zündung einer Plasmaentladung an dem auf sei ne Glühtemperatur erwärmten Draht (6) eine Spannung U_P im Bereich von - 15 V bis - 25 V anliegt, und wobei der aus dem Draht (6) emittierte Emissionsstrom I_P im Bereich von 1,0 mA bis 1,8 mA beträgt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwesenheit eines Plasmas an dem auf seine Glühtemperatur erwärmten Draht (6) eine Span nung U_P im Bereich von + 15 V bis + 25 V an liegt, und wobei der Emissionsstrom I_P im Be reich von 1,4 mA bis 2,2 mA beträgt.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsgröße U_P und/oder die Stromgröße I_P während der Brenndauer des Plasmas meßbar sind und diese als elektrische Kenngrößen des gezündeten Plasmas zu dessen Kontrolle, wel che vorzugsweise mittels elektronischer Mit tel erfolgt, vorgesehen sind.