DE19757353C1 - Einrichtung zum Betreiben einer Niederdruckentladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Betreiben einer Niederdruckentladung nach dem Magnetronprinzip mit mittelfrequenter Energieeinspeisung. Der Frequenzbereich ist 1 kHz bis 200 kHz. Derartige Entladungen werden in der Vakuumbeschichtungstechnik zum nichtreaktiven und reaktiven Zerstäuben von Materialien für die Beschichtung von Oberflächen verwendet. Derartige Einrichtungen und die mit ihnen ausgeübten Verfahren werden angewendet zum Beschichten von Werkstücken, z. B. Werkzeuge, Bauelemente der Elektronik, in der Solartechnik und Glasindustrie.

Das Zerstäuben von Materialien zur Beschichtung von Oberflächen von Werkstücken hat seit vielen Jahren durch die Nutzung von Niederdruckentladungen nach dem Magnetronprinzip an Umfang und Bedeutung stark zugenommen und ist jetzt das am weitesten verbreitete PVD-Verfahren.

Es ist allgemein bekannt, durch Gleichstrom solche Entladungen zu betreiben und dabei das zu zerstäubende elektrisch leitfähige Material in Form von Targets einzusetzen, die als Katode der Entladung geschaltet sind. Soll nichtleitendes Material zerstäubt und auf der Werkstückoberfläche abgeschieden werden, so muss eine Hochfrequenz-Entladung (Radio- Frequenz, z. B. 13,56 MHz) betrieben werden. Die energetische Effizienz und erreichbare Beschichtungsrate dieser Entladung sind dabei jedoch größenordnungsmäßig niedriger.

Einen wichtigen Entwicklungsschritt bei der Abscheidung elektrisch schlecht leitender Materialien stellte deshalb die Einführung von Verfahren und Einrichtungen dar, die mit mittelfrequenter Energie gespeist werden.

Es sind Einrichtungen bekannt, die als Dual-Magnetron-Quelle oder Twin Mag bezeichnet werden. Sie bestehen aus zwei gleichartigen Zerstäubungseinrichtungen mit je einem Target und einer Wechselspannungsquelle mit einer Frequenz im Bereich von 10 bis 200 kHz. Im Rhythmus dieser Polwechsel wirkt jeweils ein Target als Katode und ein Target als Anode. Diese beiden Targets sind im Prinzip Elektroden, deren Potential sich bei jedem Polwechsel ändert, d. h. die Polarität wird vertauscht (DE 38 02 852; DD 252 205). Nach diesen Verfahren wird die Stabilität des Prozesses erreicht und es können auch elektrisch schlecht leitende Schichten abgeschieden werden. Als Stromversorgungseinrichtungen werden Sinusgeneratoren oder Pulsspannungsquellen mit bipolarer, weitgehend rechteckförmiger Spannung verwendet.

Es ist weiterhin eine sogenannte Zweiring-Magnetronquelle bekannt, die mit Wechselspannung betrieben werden kann. Sie stellte für ein spezielles Einsatzgebiet eine Integration von zwei elektrisch unabhängigen Targetbereichen dar (DE 41 27 262).

Nachteilig wirken sich der höhere Platzbedarf für die erhöhte Anzahl von Zerstäubungsquellen in Beschichtungsanlagen und die damit verbundenen Kosten aus. Beim reaktiven Zerstäuben hochisolierender Materialien wie z. B. Al₂O₃ treten weiterhin noch Einschränkungen der ununterbrochenen Nutzungsdauer auf, die ursächlich mit den durch Beschichtung eines Teiles der Targetoberfläche außerhalb der sogenannten Erosionszone der Targets und dem relativ hohen magnetischen Feld in der Erosionszone der Targets zusammenhängen. Dadurch wächst die Neigung zum Umschlagen der Magnetron- Entladung in eine Bogenentladung. Um diesen Umschlag zu erkennen, sind Schaltungen und schnelle Abschaltprinzipien bekannt, um die Auswirkungen derartiger Bogenentladungen zu minimieren und/oder ihre Ausbildung bereits beim Entstehen zu unterbinden.

Es ist weiterhin bekannt, nur ein Target zu zerstäuben und durch eine mittelfrequent gepulste Energieeinspeisung die Stabilität der Niederdruckentladung zu verbessern (DE 37 00 633). Dieses Verfahren ist auf die Plasmabehandlung elektrisch leitender Werkstücke begrenzt.

Es ist eine Einrichtung zum reaktiven Beschichten von Substraten mit elektrisch nicht leitendem Material bekannt, die nach dem Magnetronprinzip arbeitet, in welcher eine Gegenelektrode elektrisch isoliert angeordnet ist. Diese Gegenelektrode und die Targets sind an eine Stromversorgungseinrichtung angeschlossen, die eine sinusförmige Wechsel­ spannung erzeugt. Der Nachteil dieser Einrichtung ist es, dass die Gegenelektrode von dem zerstäubenden Teil relativ schnell überzogen wird und damit der Prozess gestört, d. h. die Beschichtung des Targets negativ beeinflusst wird.

Es ist weiterhin eine Einrichtung bekannt, bei der das Target als Katode geschaltet ist. Eine gegen die Beschichtung mit isolierenden Schichten geometrisch weitgehend abgeschirmte Anode wird ebenso wie das Target an eine mittelfrequent gepulste Gleichstromquelle angeschlossen (DE 42 23 505). Mit dieser Einrichtung kann ein stabiles Betreiben der Magnetronentladung beim reaktiven Zerstäuben erreicht werden. Allerdings gibt es eine Leistungsgrenze für die technisch realisierbaren Stromversorgungseinrichtungen. Auch für das nichtreaktive Zerstäuben elektrisch leitender Materialien, das an sich mit Gleichspannung möglich ist, kann eine mittelfrequent gepulste Energieeinspeisung zweckmäßig sein. Bei vorgegebener Höhe der eingespeisten Leistung wird durch das Pulsen eine temporäre Erhöhung der Plasmadichte in der Magnetronentladung erreicht, wodurch sich bestimmte Eigenschaften der Schichten, insbesondere Schichtstruktur und Morphologie positiv beeinflussen lassen. Es sind deshalb verschiedene Schaltungen zur Erzeugung mittelfrequenter Gleichspannungspulse bzw. solcher mit geringfügiger Gegenspannung bekannt. Diese dienen dazu, eine mittelfrequent gepulste, meist rechteckförmige Gleichspannung zu erzeugen und im Fall des Umschlagens einer Magnetronentladung in eine Bogenentladung den Energieinhalt des Bogens zu begrenzen. Diese Schaltungen verwenden leistungsstarke Halbleiterbauelemente, die eine relativ hohe Verlustleistung als Nachteil hervorrufen. Dadurch verschlechtert sich die energetische Effizienz und damit ist die Leistung begrenzt. Für höherimpedante Niederdruckentladungen mit Spannungen über 1000 V stehen keine geeigneten Bauelemente zur Verfügung. Somit besteht der Nachteil, dass sich Magnetronentladungen im Leistungsbereich über 100 kW dadurch nicht mit mittelfrequent gepulster Energieeinspeisung betreiben lassen. Es sind weiterhin hohe Aufwendungen für eine Überdimensionierung der Halbleiterbauelemente, Aufwendungen für Schutzbeschaltungen der Halbleiterbauelemente oder eine Begrenzung der Pulsfrequenz auf Werte von unter 40 kHz von Nachteil. Das bedeutet, dass dieser Wert sehr niedrig und damit stabilitätsbegrenzend ist. Die steilen Flanken der Rechteckpulse führen außerdem zum vermehrten Auftreten hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung. Diese ist als Leistungsverlustquelle, als Störstrahlung für elektrotechnische Geräte und Datenverarbeitungsanlagen und als Gesundheitsrisiko zu verhindern, so dass hohe Aufwendungen zur Entstörung notwendig sind. Schließlich ist die mangelnde Anpassung solcher als Schalter wirkender Halbleiterbauelemente an unterschiedliche Impedanzwerte der Magnetronentladung ein weiterer Nachteil. Diese genannten Grenzen wirken sich insgesamt in höheren Kosten beim Betreiben von Niederdruckentladungen mit mittelfrequent gepulster Energieeinspeisung aus, bezogen auf eine mit Gleichspannung betriebene Entladung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Betreiben einer nach dem Magnetronprinzip wirkenden Niederdruckentladung mit mittelfrequenter Energieeinspeisung zu schaffen. Diese Einrichtung soll nur eine Magnetroneinrichtung erfordern und vorzugsweise auch für hohe Entladungsleistungen anwendbar sein. Sie soll weiterhin eine hohe Variabilität in Bezug auf unterschiedliche Impedanz der Niederdruckentladung aufweisen, Pulsfrequenzen bis 200 kHz ermöglichen und eine vergleichsweise geringe hochfrequente elektromagnetische Störstrahlung erzeugen. Die Einrichtung soll sich außerdem durch geringe Kosten auszeichnen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung gelöst, die aus einer Vakuumkammer, mindestens einer Magnetroneinrichtung mit einem elektrisch leitenden Target und einem Gaseinlasssystem besteht. Außerhalb des Bereiches hoher Plasmadichte ist in der Vakuumkammer gegen diese elektrisch isoliert eine Gegenelektrode angeordnet. An das Target und die Gegenelektrode ist eine Stromversorgungseinrichtung angeschlossen, die eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt. Es ist auch möglich, in der Vakuumkammer mehrere Magnetroneinrichtungen mit jeweils einer Gegenelektrode anzuordnen und die Gegenelektroden einerseits und die Targets der Magnetroneinrichtung andererseits elektrisch zu verbinden. Die Stromversorgungseinrichtung wird an die Gegenelektrode und die Targets angeschlossen.

Es ist auch möglich, die auf gleichem Potential befindlichen Gegenelektroden als eine einzige gemeinsame Gegenelektrode auszubilden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet wie folgt:

Durch Verwendung einer Stromversorgungseinrichtung, die eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt, findet gewissermaßen eine Gleichrichtung durch die Niederdruckentladung selbst statt. Während der Halbwelle, in der das Target negativ gepolt ist, wird ein hoher Strom gemessen, und die Impedanz der Entladung ist infolge des Magnetronprinzips niedrig. Während der entgegengesetzten Polung fließt nur ein sehr geringer Strom, weil die Gegenelektrode in einem Bereich angeordnet ist, in dem kein nennenswertes Magnetfeld wirkt. Die Impedanz der Entladung ist extrem hoch. Bei vorgegebener mittlerer Plasmaleistung werden - wenn das Target negativ gepolt ist - hohe Werte der Plasmadichte gemessen. Diese Messungen zeigten, dass sich der Spitzenwert der Plasmadichte gegenüber einer Einrichtung, die mit Gleichstrom betrieben wird, um mehr als den Faktor 3 erhöht. Neben diesem entscheidenden Vorteil zeigt sich auch, dass infolge der sinusförmigen zeitlichen Abhängigkeit von Spannung und Strom der Niederdruckentladung ein nur ganz geringer Anteil hochfrequenter Störstrahlung auftritt.

Besonders vorteilhaft lassen sich Stromerzeugungseinrichtungen einsetzen, welche mit einem Transformator versehen sind und welche einen Schwingkreis aufweisen, dessen Wirkkomponente das Plasma der Niederdruckentladung ist. Mit derartigen Stromversorgungseinrichtungen können primärseitig Spannung bzw. Strom in weiten Grenzen an die Impedanz der Niederdruckentladung angepasst werden. Vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines Transformators mit umschaltbaren Anzapfungen bzw. mit veränderbarem Koppelfaktor.

Es ist auch zweckmäßig, die Gegenelektrode derart anzuordnen, dass sie nicht durch direktes Auftreffen von zerstäubtem Targetmaterial oder dessen Reaktionsprodukten getroffen wird, d. h. sie soll gegen Beschichtung geschützt sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, je nach Art des zu zerstäubenden und abzuscheidenden Materials die Gegenelektrode durch Wasserkühlung auf einer konstanten Temperatur zu halten und/oder sie durch Schirmbleche gegen ungewünschte Beschichtung zu schützen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die Stromversorgungseinrichtung mit an sich bekannten elektronischen Mitteln zur Erkennung des Umschlagens der Niederdruckentladung des Magnetrons in eine Bogenentladung und mit Mitteln zur Unterbrechung der Energiezufuhr bei Erkennen eines solchen Ereignisses auszurüsten.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine Einrichtung mit einer unterhalb des Targets angeordneten Gegenelektrode,

Fig. 2: eine Einrichtung mit einer abgeschirmten Gegenelektrode.

In einer Vakuumkammer 1 befindet sich eine Magnetroneinrichtung 2 mit einem elektrisch leitenden, wassergekühlten Target 3 mit einer Länge von 900 mm und ein Gaseinlasssystem 4. Die Vakuumkammer 1 wird durch ein Pumpsystem 5 evakuiert. Das zu beschichtende Werkstück 6 wird während des Zerstäubens des Targets 3 zum Zwecke einer gleichmäßigen Beschichtung in Richtung 7 periodisch relativ zur Magnetroneinrichtung 2 bewegt.

Es wird Aluminiumoxid durch reaktive Zerstäubung eines Aluminium-Targets in einem Argon-Sauerstoff-Gemisch bei einem Druck von 0,3 Pa auf dem Werkstück 6 abgeschieden. In der Vakuumkammer 1 ist eine Gegenelektrode 8 so angeordnet, dass sie sich außerhalb des Bereiches hoher Plasmadichte 9 befindet. Die Gegenelektrode 8 ist fremdgekühlt und mittels eines Isolators 10 gegen die Vakuumkammer 1 elektrisch isoliert. Die Gegenelektrode 8 hat die Form eines Ringes, der einen großen Abstand von der Magnetroneinrichtung 2 hat und sich geometrisch im Dampfschatten der zerstäubten Teilchen 11 befindet. Auf diese Weise wird die Gegenelektrode 8 nur unwesentlich mit Aluminiumoxid beschichtet. Bei zyklischer Reinigung wirkt sich diese minimale Beschichtung nicht störend auf die elektrische Funktion der Gegenelektrode 8 aus.

Von dem Target 2 und der Gegenelektrode 8 sind elektrische Anschlussleitungen aus der Vakuumkammer geführt und mit einer Stromversorgungseinrichtung 12 verbunden. Diese Stromversorgungseinrichtung 12 erzeugt eine sinusförmige Wechselspannung mit einer Spitzenspannung von 1400 V bei einer Frequenz von 100 kHz. Es fließt ein weitgehend periodischer Gleichstrom durch die Niederdruck-Entladung vom Magnetron-Typ. Die Spitzenwerte des Stromes betragen 400 A, der Strom im Zeitmittel 130 A.

In einer anderen Ausführung - in Fig. 2 dargestellt - ist die Gegenelektrode 8 stabförmig gestaltet, wassergekühlt und in Höhe der Magnetroneinrichtung 2 in einem Abstand der doppelten Targetbreite mittels des Isolators 10 angeordnet. Eine Abschirmung 13 verhindert das direkte Auftreffen zerstäubter Aluminiumatome 11 oder deren Reaktionsprodukte auf die Gegenelektrode 8.

Beide Einrichtungen sind geeignet, Aluminiumoxid mit hoher Abscheiderate gleichmäßig auf einer Werkstückbreite von 800 mm abzuscheiden.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Betreiben einer Niederdruckentladung, die nach dem Magnetronprinzip arbeitet und mit mittelfrequenter Energie gespeist wird, bestehend aus einer Vakuumkammer (1), mindestens einer Magnetroneinrichtung (2) mit einem Target (3) aus elektrisch leitendem Material, einem Gaseinlasssystem (4), einer Stromversorgungseinrichtung (12) und einer Gegenelektrode (8), die gegen die Vakuumkammer (1) elektrisch isoliert außerhalb des Bereiches hoher Plasmadichte (9) angeordnet ist, wobei an das Target (3) und die Gegenelektrode (8) die Stromversorgungseinrichtung (12), die eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt, angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) derart geometrisch angeordnet ist, dass sie gegen das Auftreffen von zerstäubtem Targetmaterial oder dessen Reaktionsprodukten geschützt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) durch eine Abschirmung (13) gegen das Auftreffen von zerstäubtem Targetmaterial oder dessen Reaktionsprodukten geschützt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung (12) mit Mitteln zur Erkennung des Umschlagens besagter Niederdruckentladung in eine Bogenentladung und zur Fortschaltung der Wechselspannung ausgestattet ist.