DE19727883A1

DE19727883A1 - Generation of a high power plasma for production of thin dielectric layers

Info

Publication number: DE19727883A1
Application number: DE19727883A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Schultrich; Andreas Dipl Phys Lenk; Thomas Dipl Phys Witke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1998-01-29
Also published as: DE19727882A1

Abstract

The device has a dielectric tube of silicon dioxide with a wall thickness of 2 mm, a length of 7 cm and an inner diameter of 7 mm. Into one end is set a cathode 1 that is made of metal, semiconductor material or carbon. An anode 3 is set at the other end and the separating distance is 8 cm. The anode may also be fabricated from metal, semiconductor material or carbon. A capacitor is discharged to trigger the plasma in the tube. The anode side is within an oxygen filled space that contains a substrate of silicon 6 and an extraction grating 5. The dielectric material may be aluminium oxide.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung hochangeregter Plasmen mittels Funkenentladung für die Abscheidung dünner Schichten, wie sie z. B. für die Herstellung dünner, dielektrischer Schichten als keramische Schutzschichten (SiO₂, Al₂O₃) verwendet werden.The invention relates to a method and an apparatus for generating highly excited plasmas by means of spark discharge for the deposition of thinner Layers such as B. for the production of thin, dielectric layers as ceramic protective layers (SiO₂, Al₂O₃) can be used.

In der DE 42 08 764 C2 ist ein gasgefüllter Teilchenbeschleuniger angegeben, der aus einer Quelle für Plasmen hoher Dichte geladener Teilchen besteht, sowie aus einer Beschleunigungseinrichtung zwischen zwei Elektroden von denen die eine das Plasma teilweise mitbegrenzt und die andere außerhalb liegt. In diesem Beschleuniger ist mindestens ein dielektrischer Rohrraum eingerichtet, der mit einer Öffnung in der Elektrode beginnt und zur anderen Elektrode gerichtet ist. In diesem Rohrraum findet die Teilchenbeschleunigung raumladungsreduziert statt und der Teilchenstrahl wird elektrostatisch fokussiert.DE 42 08 764 C2 specifies a gas-filled particle accelerator which consists of a source for high-density plasmas of charged particles, and an accelerator between two electrodes, one of which is the Plasma partly limited and the other is outside. In this Accelerator is set up at least one dielectric tube space with a Opening in the electrode begins and faces the other electrode. In this Tube space, the particle acceleration takes place with reduced space charge and the Particle beam is focused electrostatically.

Durch diese Vorrichtung wird die Funkenentladung entlang einer vorgegebenen Wegstrecke geführt. Durch die Öffnung in der Anode verläßt der Elektronenstrom die Entladungsstrecke und ist als Elektronenstrahl nutzbar.With this device, the spark discharge is along a predetermined Route led. The electron current leaves through the opening in the anode the discharge path and can be used as an electron beam.

Gemäß der DE 38 34 402 C1 wird ein gepulster Teilchen- oder Laserstrahl auf ein Spendertarget gerichtet. Durch den Strahl und infolge der Wechselwirkung des Teilchen- oder Laserstrahls mit der Festkörperoberfläche des Spendertargets wird auf dem Spendertarget ein Ablationsprozeß eingeleitet und die dabei entstehenden kleinen Tröpfchen gelangen auf ein geheiztes Substrat. Dadurch wird eine Schicht von Hoch-T_c-Oxidsupraleitern auf der Oberfläche dieses Substrates gebildet. Das Abtragen der Partikel von den Spendertarget während des Ablationsprozesses erfolgt eruptionsartig.According to DE 38 34 402 C1, a pulsed particle or laser beam is directed onto a donor target. Due to the beam and due to the interaction of the particle or laser beam with the solid surface of the donor target, an ablation process is initiated on the donor target and the resulting small droplets reach a heated substrate. This forms a layer of high-T _c oxide superconductors on the surface of this substrate. The particles are removed from the donor target during the ablation process in an eruption-like manner.

Durch die bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es nicht möglich, unabhängig von einem Spendertarget zu arbeiten.The known methods and devices make it impossible to be independent to work from a donor target.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Beschichtung mit einer gepulsten Funkenentladung auf ein Spendertarget zu verzichten.The invention has for its object when coating with a pulsed Spark discharge to dispense with a donor target.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in claims 1 and 8 solved. Further training is the subject of the subclaims.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine Funkenentladung kanalisiert. Der Elektronenstrom der Funkenentladung wird nicht auf ein separates Target geleitet, sondern es werden die Gasparameter der Entladungsstrecke so eingestellt, daß während der Entladung neben der Gasionisation auch Material von der Mantelinnenfläche des dielektrischen Rohres abgetragen wird. Das abgetragene Material liegt ebenfalls als Plasma vor, so daß sich innerhalb der Entladungsstrecke ein Plasma befindet, bestehend aus ionisiertem Gas und ionisiertem dielektrische Rohrmaterial. Aufgrund des hohen Temperatur- und Druckgradienten zwischen Entladungsstrecke und Außenraum wird das Plasma der Funkenentladung in den Außenraum gedrückt. Vor die anodenseitige Öffnung des dielektrischen Rohres wird nun ein Substrat positioniert. Darauf kondensiert das Plasma und bildet eine Schicht. Damit entfällt die Verwendung eines Targets für diesen Beschichtungsprozeß. Die Funktion des Targets übernimmt die Mantelinnenfläche des dielektrischen Rohres. Während und nach der Entladung strömt das Plasma aus der anodenseitigen Öffnung des dielektrischen Rohres.A spark discharge is channeled by the device according to the invention. The electron current of the spark discharge is not directed to a separate target conducted, but the gas parameters of the discharge path are set so that during the discharge, in addition to gas ionization, material from the Inner surface of the dielectric tube is removed. The worn out Material is also present as a plasma, so that it is within the discharge path there is a plasma consisting of ionized gas and ionized dielectric Pipe material. Due to the high temperature and pressure gradients between The discharge path and the outside space will be the plasma of the spark discharge in the Outside space pressed. In front of the anode-side opening of the dielectric tube now positioned a substrate. The plasma then condenses and forms one Layer. This eliminates the use of a target for this Coating process. The function of the target is taken over by the inner surface of the jacket of the dielectric tube. The plasma flows out during and after discharge the anode-side opening of the dielectric tube.

Besonders vorteilhaft wirkt sich die Nutzung des dielektrischen Rohres als Target auf die Zusammensetzung des Beschichtungsplasmas aus. Dieses ist frei von Droplets und anderen vielatomigen Partikeln, im Gegensatz zur Plasmazusammensetzung bei der Nutzung eines separaten Targets. Zudem führt der Verzicht auf ein separates Target zu einer höheren Bewegungsfreiheit des zu beschichtenden Substrats. Dies ist für den Beschichtungsprozeß vorteilhaft.The use of the dielectric tube as a target has a particularly advantageous effect on the composition of the coating plasma. This is free of Droplets and other multi-atomic particles, unlike Plasma composition when using a separate target. Also leads the waiver of a separate target for greater freedom of movement coating substrate. This is advantageous for the coating process.

Die Zündung der Entladung erfolgt beispielsweise durch einen Gasdurchbruch oder durch das Einbringen zusätzlicher Ladungsträger in das dielektrische Rohr. Um ein hochionisiertes Plasma zu erzeugen, sind Durchschlagspannungen 15 kV erforderlich. Somit existiert ein in Abhängigkeit von der Geometrie des dielektrischen Rohres bestimmter gasabhängiger Druckbereich, in dem eine solche Funkenentladung gezündet werden kann. Für einen Kathoden-Anoden-Abstand von etwa 60 mm und Stickstoff als Atmosphäre gilt: p < 1 Pa. Nach Zündung der Entladung existiert diese etwa 150 ns und entwickelt sich in dieser Zeit zu einer Bogenentladung. Als Stromquelle der Entladung kann beispielsweise ein Kondensator dienen. Nach dessen Entladung erlischt die Funkenentladung.The discharge is ignited, for example, by a gas breakthrough or by introducing additional charge carriers into the dielectric tube. To a To generate highly ionized plasma, breakdown voltages are 15 kV required. Thus, one exists depending on the geometry of the dielectric Rohres certain gas-dependent pressure range in which such Spark discharge can be ignited. For a cathode-anode distance of about 60 mm and nitrogen as atmosphere: p <1 Pa. After ignition of the Discharge exists for about 150 ns and develops into one during this time Arc discharge. For example, a can be used as the current source of the discharge Serve capacitor. After its discharge, the spark discharge goes out.

Der Elektronenstrom erzeugt innerhalb des dielektrischen Rohres einen leitfähigen Plasmakanal. In diesem findet eine Kompensation der elektrostatischen Abstoßungskräfte im Elektronenstrom durch positive Raumladungen statt. Zu Beginn der Entladung erfolgt der Aufbau der Elektronenstrom-Plasmakanäle. Innerhalb des nichtionisierten Gases, zu Beginn der Entladung, ist eine Ladungskompensation der negativen Raumladungen nicht möglich. Aufgrund dessen werden die Elektronen auch radial zur Wand des dielektrischen Rohres beschleunigt und laden dieses elektrisch auf. Unmittelbar darauf treten Gleitentladungen auf der Mantelinnenoberfläche ein und bewirken die Desorption des Wandmaterials. Da dieses direkt in den Plasmazustand überführt wird, erhöht sich der Anteil ionisierter Atome innerhalb des dielektrischen Rohres. Die nun in dem dielektrischen Rohr einströmenden Elektronen wechselwirken intensiv mit dem Gas- und Wandteilchenplasma. Am Ende dieses Prozesses verbleiben positive Ionen im Elektronenstrom-Plasmakanal, die einen ladungskompensierten Elektronenstrom gewährleisten. Das Plasma innerhalb des Rohres expandiert aufgrund seiner sehr hohen Temperatur und strömt aus der Öffnung zum Substrat.The electron current creates a conductive one within the dielectric tube Plasma channel. This compensates for the electrostatic Repulsive forces take place in the electron current due to positive space charges. At the start the discharge is followed by the build-up of the electron current plasma channels. Within the non-ionized gas, at the beginning of the discharge, is a charge compensation of the negative space charges not possible. Because of this, the electrons also accelerates radially to the wall of the dielectric tube and load it electrically on. Immediately afterwards, sliding discharges occur on the Surface and cause the desorption of the wall material. There this is converted directly into the plasma state, the proportion of ionized increases Atoms within the dielectric tube. Now in the dielectric tube incoming electrons interact intensely with the gas and Wall particle plasma. At the end of this process, positive ions remain in the Electron current plasma channel, which is a charge compensated electron current guarantee. The plasma inside the tube expands a lot because of it high temperature and flows out of the opening to the substrate.

Über den Gasdruck läßt sich die Intensität der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrom und dielektrischen Rohr beeinflussen. Bei einem wie o.g. Kathoden-Anoden-Abstand und Stickstoff-Gasdrücken von p 1 Pa ist die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrom und dielektrischem Rohr nur gering. Dann besteht das Entladungsplasma vor allem aus hochionisiertem Gas der Entladungsstrecke. Entsprechend wird bei p < 1 Pa ein Plasma mit einem hohem Anteil an Rohrmaterial gebildet, welches zur Abscheidung von Schichten verwendet wird.The intensity of the interaction between Influence electron current and dielectric tube. With one like the above The cathode-anode distance and nitrogen gas pressures of p 1 Pa is the Interaction between electron current and dielectric tube only slight. Then the discharge plasma mainly consists of highly ionized gas Discharge path. Accordingly, a plasma with a high p <1 Pa Proportion of pipe material formed, which is used to deposit layers becomes.

Neben dem dielektrischen Rohr werden bei der Entladung auch die Kathode und die Anode erodiert. Dies geschieht an den Aus- und Eintrittspunkten des Elektronenstromes, an den Kathoden- bzw. Anodenbrennflecken. Insbesondere niedrigschmelzende Materialien, wie z. B. Aluminium, werden intensiv erodiert. Durch entsprechenden Einsatz von geeigneten Elektrodenmaterialien kann deren Erosion weitgehend verhindert werden oder im Gegensatz dazu eine intensive Elektrodenerosion gefördert werden, um deren Material dem Beschichtungsplasma beizumengen.In addition to the dielectric tube, the cathode and the Anode eroded. This happens at the exit and entry points of the Electron current at the cathode or anode focal spots. Especially low-melting materials, such as. As aluminum, are eroded intensively. By Appropriate use of suitable electrode materials can erode them largely prevented or, in contrast, intensive Electrode erosion are promoted to their material the coating plasma to add.

Über ein Extraktionsgitter ist die Extraktion von Ionen aus dem Plasma möglich. Das Gitter befindet sich gegenüber der Anode auf negativem Potential, so daß die Ionen des Plasmas in Gitternähe zusätzlich beschleunigt werden und sich deren kinetische Energie erhöht. Der Effekt der zusätzlichen elektrostatischen Beschleunigung der Ionen kann ebenfalls durch ein positiv oder negativ geladenes Substrat bewirkt werden.The extraction of ions from the plasma is possible via an extraction grid. The Grid is at the negative potential opposite the anode, so that the ions of the plasma in the vicinity of the grid are additionally accelerated and their kinetic Energy increases. The effect of the additional electrostatic acceleration of the Ions can also be caused by a positively or negatively charged substrate will.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.

In ein dielektrisches Rohr 2 aus SiO₂ mit einer Wanddicke von 2 mm, einer Rohrlänge von 7 cm und einem Innendurchmesser von 7 mm wird auf der einen Seite eine Kathode 1 eingebracht. Auf der anderen Seite des dielektrischen Rohres 2 wird die Anode 3 angeordnet. Der Abstand zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 beträgt 8 cm. In a dielectric tube 2 made of SiO₂ with a wall thickness of 2 mm, a tube length of 7 cm and an inner diameter of 7 mm, a cathode 1 is introduced on one side. The anode 3 is arranged on the other side of the dielectric tube 2 . The distance between the cathode 1 and the anode 3 is 8 cm.

Durch die Entladung eines Kondensators mit einer Kapazität von 15 nF wird ein Gasdurchschlag von 25000 V ausgelöst, der zur Zündung des Plasmas im Rohrinnenraum führt.Discharging a capacitor with a capacitance of 15 nF turns on Gas breakdown of 25000 V triggered, which ignites the plasma in the Pipe interior leads.

Die anodenseitige Öffnung des dielektrischen Rohres 2 ragt in einen Raum, dessen Atmosphäre aus Sauerstoff besteht. Der Gasdruck der Sauerstoff-Atmosphäre beträgt 0,9 Pa.The anode-side opening of the dielectric tube 2 projects into a space whose atmosphere consists of oxygen. The gas pressure in the oxygen atmosphere is 0.9 Pa.

In diesem Raum mit der Sauerstoff-Atmosphäre befinden sich weiterhin das Substrat 6 aus Silicium, welches eine Substratspannung von -30 V aufweist.In this space with the oxygen atmosphere there are also the substrate 6 made of silicon, which has a substrate voltage of -30 V.

Vor dieses Substrat 6 ist eine Extraktionsgitter 5 angeordnet, das eine Gitterspannung von -100 V aufweist.An extraction grid 5 , which has a grid voltage of -100 V, is arranged in front of this substrate 6 .

Durch die Entladung des Kondensators wird in dem dielektrischen Rohr 2 eine Funkenentladung mit einer Pulsfolge von 5 Hz gezündet. Durch die Elektronen der Funkenentladung werden Partikel aus der Wand des dielektrischen Rohres 2 herausgelöst und unmittelbar in das Plasma überführt. Somit entsteht ein sauerstoff- und SiO₂-haltiges Plasma. Durch die hohe Temperatur des Plasmas expandiert dieses und strömt zur anodenseitigen Öffnung in den Raum mit der sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Dort trifft es auf das Extraktionsgitter 5. Durch die Gitterspannung von -100 V werden die positiv geladenen Teilchen des Plasmas angezogen und in ihrer Geschwindigkeit verringert. Die negativ geladenen Teilchen, dies sind die Si- und O-Ionen, werden durch die Abstoßung weiter beschleunigt und treffen auf das Substrat 6. Dadurch entsteht auf dem Substrat 6 eine Schicht aus SiO₂.A spark discharge with a pulse sequence of 5 Hz is ignited in the dielectric tube 2 by the discharge of the capacitor. Particles are released from the wall of the dielectric tube 2 by the electrons of the spark discharge and transferred directly into the plasma. This creates an oxygen and SiO₂-containing plasma. Due to the high temperature of the plasma, it expands and flows to the anode-side opening in the room with the oxygen-containing atmosphere. There it meets the extraction grid 5 . The positively charged particles of the plasma are attracted by the grid voltage of -100 V and their speed is reduced. The negatively charged particles, these are the Si and O ions, are further accelerated by the repulsion and hit the substrate 6 . This creates a layer of SiO₂ on the substrate 6 .

BezugszeichenlisteReference list

1 Kathode
2 dielektrisches Rohr
3 Anode
4 Plasmastrom
5 Extraktionsgitter
6 Substrat 1 cathode
2 dielectric tube
3 anode
4 plasma flow
5 extraction grids
6 substrate

Claims

1. Device for generating highly excited plasmas by means of spark discharge for the deposition of thin layers consisting of a dielectric tube ( 2 ), the inner surface of which consists of one or more dielectric materials or is coated in whole or in part, from a device for controlling and regulating an internal gas pressure of <1 Pa at least in the dielectric tube ( 2 ), from a cathode ( 1 ) located at or in one of the openings of the dielectric tube ( 2 ), from an anode ( 3 ) located at the other end of the dielectric tube ( 2 ) is made of a substrate ( 6 ), in front of which an extraction grid ( 5 ) can be arranged, wherein the substrate ( 6 ) and / or extraction grid ( 5 ) can be under negative voltage, from an arrangement that ignites the discharge in the dielectric tube ( 2 ), at least the anode-side opening of the dielectric tube ( 2 ), the anode ( 3 ) and the substrate ( 6 ) with the extraction grid ( 5 ) are within a room in which an inert or reactive atmosphere or a vacuum is present.

2. Device according to claim 1, in which SiO₂, Al₂O₃ or BN are used as dielectric materials for the inner surface of the dielectric tube ( 2 ).

3. Device according to claim 1, in which a cathode ( 1 ) made of metal, semiconductor or carbon is used.

4. The device according to claim 1, wherein an anode ( 3 ) made of metal, semiconductor or carbon is used.

5. The device according to claim 1, wherein the power source for igniting the Spark discharge is a capacitor.

6. The device according to claim 1, wherein at least the anode-side opening of the dielectric tube ( 2 ), the anode ( 3 ) and the substrate ( 6 ) with the extraction grid ( 5 ) are within a space in which a nitrogen or argon - or oxygen atmosphere is present.

7. The apparatus of claim 1, wherein the power source of the spark discharge Capacitor is.

8. A method for generating highly excited plasmas by means of spark discharge for the deposition of thin layers in a device according to claim 1, in which in the interior of a dielectric tube ( 2 ), the inner surface of which consists of one or more dielectric materials or is coated in whole or in part, a plasma is generated by a spark discharge and the pressure of the gas is set to a value of <1 Pa at least in the dielectric tube ( 2 ).