DE4345602B4

DE4345602B4 - Verfahren zum Zünden und Betreiben einer Niederspannungs-Bogenentladung, Vakuumbehandlungsanlage und Kathodenkammer hierfür sowie Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4345602B4
Application number: DE4345602A
Authority: DE
Inventors: Jürgen RAMM; Eugen Beck; Hugo Frei; Albert Zueger; Günter Dipl.-Phys. Peter
Original assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2013-04-03
Also published as: FR2691834B1; DE4310941A1; GB2267387B; CH687111A5; GB2267387A; JPH0676773A; KR100299158B1; GB9310269D0; JP3158158B2; DE4310941B4; KR930024049A; US5384018A; FR2691834A1

Abstract

Verfahren zum Zünden und Betreiben einer Niederspannungs-Bogenentladung in einer Kathodenkammer (1), in der mindestens eine thermionische Kathode (3) vorgesehen ist, die auf einem Kathodenpotential Φ_K betrieben wird, wobei die Kathodenkammer mit einer Vakuumbehandlungskammer (11) durch eine Blendenanordnung (7, 9) mit mindestens einer Bogenaustrittsöffnung (9) verbunden ist und zur Vakuumbehandlungskammer hin freiliegende Partien (17) aufweist, denen zur Vakuumbehandlungskammer hin auf Dunkelraumabstand ein Schirm (20) vorgelagert ist, und wobei mindestens Teile einer Kathodenkammer-Innenwand einschließlich der Blendenanordung (7, 9) dadurch als Zündelektrode betrieben werden, dass sie über ein Strombegrenzungselement (30) auf ein Festpotential Φ_B gelegt werden, wobei die Potentialdifferenz zwischen dem Festpotential Φ_B und dem Kathodenpotential einer Zündspannung der Niederspannungs-Bogenentladung entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Zünden und Betreiben einer Niederspannungs-Bogenentladung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1
eine Kathodenkammer zur Erzeugung einer Niederspannungs-Bogenentladung nach dem Oberbegriff von Anspruch 6, sowie
Verwendungen davon.
Für verschiedene Vakuumbehandlungsprozesse ist es bekannt, Niederspannungs-Bogenentladungen einzusetzen. Beispielsweise aus der CH 456 294 A oder der CH 551 497 A , weiter auch der CH 645 137 A oder aus ”Ein Produktionsverfahren zur Herstellung dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung im Hochvakuumbereich”, F. Gaydou, Sonderdruck aus Vakuumtechnik, Rudolf A. Lang Verlag, Wiesbaden, Heft 7/66, S. 161–164, oder aus ”Ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten durch Ionenzerstäubung im 10E – 4 Torr Bereich”, F. P. Gaydou, Balzers Aktiengesellschaft, FL-Balzers, aus Sonderdruck aus Mikroelektronik 2, Oldenburg/München-Wien 1967, S. 183–192, ist es bekannt, zur Erzeugung einer Niederspannungs-Bogenentladung in einer Vakuumbehandlungskammer, an diese über eine Blendenanordnung eine Kathodenkammer anzukoppeln, worin eine thermionische Kathode angeordnet ist. Die Niederspannungs-Bogenentladung wird üblicherweise in der Kathodenkammer mit Hilfe einer separaten Zündelektrode gezündet, welche mit Bezug auf die thermionische Kathode auf positives, anodisches Zündpotential gelegt wird.
Nach dem Zünden der Niederspannungsentladung in der Kathodenkammer wird die Entladung primär zwischen der thermionischen Kathode und einer behandlungskammerseitig angeordneten Anode unterhalten. Dabei kann die behandlungskammerseitig vorgesehene Anode durch mindestens Teile der Innenwand der Behandlungskammer gebildet sein, oder es kann eine separate Anodenanordnung in der Behandlungskammer angeordnet sein, von der Wandung der Behandlungskammer elektrisch isoliert, derart, dass Behandlungskammer und die erwähnte Anodenanordnung elektrisch getrennt potentialbetrieben werden können. Eine solche Anodenanordnung kann z. B. durch einen Substratträger gebildet sein.
In gewissen Anwendungsfällen, wie beispielsweise aus der CH 551 497 A bekannt, wird die Blendenanordnung elektrisch potentialschwebend betrieben, in anderen, wie beispielsweise aus CH 456 294 A oder DE 33 30 144 C2 bekannt, wird sie kurzzeitig oder ständig auf das Potential der Behandlungskammerwand bzw. deren Anodenpotential gelegt.
Es hat sich gezeigt, dass sich bei einer derartigen Anordnung Funkenentladungen, bekannt unter dem Ausdruck ”arcing”, insbesondere an Partien der Behandlungskammer-Innenwand ausbilden, und zwar desto ausgeprägter, je mehr solche Partien der Entladung ausgesetzt sind und je höher die elektrische Feldstärke an solchen Partien ist.
Derartige Funkenentladungen bewirken eine Belastung der elektrischen Speisegeräte, die für den Unterhalt der Entladung vorgesehen sind, unkontrolliertes Prozessverhalten, wie Unterbrechungen und Verunreinigungen, z. B. durch Gasausbrüche,- Abstäuben bzw. Verdampfen von nicht erwünschten Materialien etc. Dadurch kann die Prozessführung gänzlich unmöglich werden. Eine Abstäubung der vom arcing betroffenen Wandungspartien führt bei heiklen Behandlungsprozessen, bei welchen eine kontrolliert hoch reine Behandlungsatmosphäre erforderlich ist, zu intolerabler Kontamination.
Dies führte dazu, dass die erwähnten Behandlungsprozesse mit Niederspannungs-Bogenentladung, welche an sich für manche Anwendungen, dank der tiefen kinetischen Energie der Ladungsträger in der Niederspannungs-Bogenentladung bei gleichzeitig hoher Ladungsträgerdichte höchst vorteilhaft wären für manche Behandlungsprozesse, bei denen die erwähnten Kontaminationen nicht tolerabel sind, nicht eingesetzt wurden.
Die in der Stammanmeldung beanspruchte Erfindung setzt sich unter ihrem Hauptaspekt zum Ziel, dieses Problem zu lösen, mit anderen Worten, Verfahren mit einer Niederspannungs-Bogenentladung – also einer Niederspannungs-Hochstrom-Entladung – so zu verbessern, dass sie auch für Behandlungsprozesse einsetzbar werden, welche bezüglich Behandlungsatmosphäre hohe Anforderungen stellen.
Zu diesem Zweck zeichnet sich das Verfahren eingangs genannter Gattung nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 der Stammanmeldung aus.
Kathodenkammern zur Erzeugung einer Niederspannungs-Bogenentladung mit einer auf Niederspannungspotential liegenden termionischen Kathode, bei denen Teile der Wandung der Kathodenkammer für den Betrieb als Zündelektrode auf ein Festpotential gelegt sind, sind aus DE 33 30 144 C2 sowie DE 28 23 876 A1 bekannt. Sie offenbaren jedoch keinen auf Dunkelraumabstand vorgelagerten Schirm.
Die dem arcing meist ausgesetzten Partien der Behandlungskammer-Innenwand sind um die Blendenanordnung herum situiert. Ein Vorsehen des erfindungsgemäßen Schirmes verhindert das Auftreten der erwähnten Funken in diesem Bereich. Damit ergibt sich nun die Möglichkeit, ein Verfahren der erwähnten Gattung auch für Prozesse einzusetzen, welche höchsten Anforderungen bezüglich Behandlungsatmosphäre gerecht werden müssen.
Die obgenannten Probleme bezüglich Funkenentladung entstehen bei den bekannten Vorgehen sowohl bei potentialschwebend betriebenen Partien mit der Blendenanordnung wie auch in noch stärkerem Maße, wenn die genannten Partien auf Festpotential betrieben werden.
Dank des erfindungsgemäßen Vorgehens wird es aber möglich, diese erwähnten Partien auf Festpotential zu betreiben, was bezüglich der Flexibilität der elektrischen Beschaltung bzw. Potentiallegung von Kathodenkammer, Behandlungskammer sowie von Partien um die Blendenanordnung herum, höchst vorteilhaft ist.
Insbesondere wird dadurch gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht, die erwähnten Partien mit bzw. um die Blendenanordnung als Zündelektrode für die Niederspannungsentla dung zu betreiben. Hierzu werden sie zum Zünden und dann während des Betriebes der Niederspannungsentladung auf unterschiedliche elektrische Potentiale gelegt. Damit wird der Vorteil erwirkt, dass in der Kathodenkammer nicht zusätzlich eine Zündelektrode vorgesehen und elektrisch isoliert durch die Kathodenkammerwand geführt werden muss, sondern, dass ohnehin vorgesehene Elemente, nämlich die erwähnten Partien, gleichzeitig auch als Zündelektrode eingesetzt werden können.
Eine höchst einfache Verfahrensvariante ergibt sich dabei, indem die erwähnten Partien über ein passives Strombegrenzungs-Schaltelement, wie insbesondere über ein Widerstandselement, gegebenenfalls auch über ein Diodenelement, auf ein Festpotential gelegt werden. Ein Teil des Entladungsstromes bewirkt im Entladungsbetrieb daran einen Spannungsabfall, derart, dass die erwähnten Partien während des Betriebes der Niederspannungsentladung bezüglich ihres Zündpotentials auf negativeres Potential gelegt werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Begriff ”Potential” im Sinne der Feldtheorie verwendet wird, also bezuglos (Bezug → ∞).
Es ist aber auch durchaus möglich, ergänzend zu dem erwähnten passiven Schaltelement oder an dessen Statt, die erwähnten Partien als Zündelektrode über eine stromgesteuerte Spannungsquelle auf ein Festpotential zu legen.
Insbesondere bei der gezielten Beaufschlagung der erwähnten Partien mit vorbestimmten elektrischen Potentialen ist es weiter vorteilhaft, dies unabhängig davon realisieren zu können, wie die Behandlungskammerwandung potentialgelegt bzw. -geführt wird.
Hierzu wird vorgeschlagen, die erwähnten Partien von der Wand der Behandlungskammer elektrisch zu isolieren.
Weiter werden bevorzugterweise die erwähnten Partien durch die Kathodenkammerwand gebildet. Dies eröffnet insbesondere die Möglichkeit, die die Blendenanordnung bildenden und die mindestens eine eigentliche Blendenöffnung umschließenden Partien als Zündelektrode zu verwenden.
Bei isolierter Montage der Behandlungskammer von den erwähnten Partien werden letztere bevorzugterweise auf unterschiedlichem elektrischem Potential betrieben bezüglich der Behandlungskammer-Innenwand. Damit wird ermöglicht, die Hauptentladung, nach deren Zünden, durch die Blendenanordnung in die Behandlungskammer zu ziehen, auch wenn die erwähnten Partien vorgängig als Zündelektrode beschaltet wurden.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildungsvariante werden Kathodenkammer und Behandlungskammer auf unterschiedlichen Betriebsdrucken betrieben, und es wird die Blendenanordnung gleichzeitig als Druckstufe zwischen den erwähnten Kammern ausgebildet. Dadurch wird ermöglicht, insbesondere kathodenkammerseitig einen höheren Betriebsdruck aufzubauen, um eine Gasströmung während des Entladungsbetriebes durch die Blendenanordnung strömen zu lassen, nach Maßgabe der Druckstufenwirkung der Blendenanordnung.
Um eine möglichst gute druckmäßige Entkopplung von Kathodenkammer und Behandlungskammer zu erzielen, wird weiter vorgeschlagen, kathodenkammerseitig und/oder behandlungskammerseitig die mindestens eine Öffnung der Blendenanordnung mit einem Rohrstutzen als Strömungswiderstand zu versehen, womit deren Druckstufenwirkung erhöht wird.
Um druckmäßig Kathodenkammer und Behandlungskammer zu entkoppeln, wird weiter vorgeschlagen, zwei Blendenanordnungen und dazwischen eine Absaugung vorzusehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird der erfindungsgemäß vorgesehene Schirm bis unmittelbar um die mindestens eine Öffnung der Blendenanordnung geführt, und es kann dieser Schirm als Rohrstutzen weitergeführt werden, um mit ihm die erwähnte Druckstufenwirkung zu erhöhen. Das Vorsehen der erwähnten Rohrstutzen ist insbesondere auch beim diffentiellen Pumpen vorteilhaft.
Es hat sich gezeigt, dass bereits ein Umschließen der erwähnten Partien, auch beabstandet von der mindestens einen Öffnung der Blendenanordnung, eine ganz wesentliche Verbesserung bezüglich Funkenbildung an der Innenwand der Behandlungskammer ergibt.
Unter dem zweiten Aspekt der Erfindung, der Gegenstand der vorliegenden Teilanmeldung ist und der sich, wie sich ohne weiteres ergeben wird, in optimaler Weise mit dem ersten Aspekt, der Gegenstand der Stammanmeldung ist, kombinieren lässt, wird ein Verfahren zum Zünden und Betreiben einer Niederspannungs-Bogenentladung der Eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, welches die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Damit wird grundsätzlich ermöglicht, dass an der Kathodenkammer keine eigens dafür vorgesehene Zündelektrode eingebaut werden muss, und weiter wird dadurch, dass die nun als Zündelektrode wirkende Partie der Kathodenkammer-Innenwand über ein passives Schaltelement auf ein Festpotential gelegt wird, auf einfache Art und Weise umgangen, dass die Zündspannung mit Hilfe einer steuerbaren Spannungsquelle an die Zündelektrode angelegt werden muss, die steuerbar ist, um nach dem Zünden der Entladung die Entladung primär zwischen der thermionischen Kathode und einer wo auch immer angeordneten Betriebsanode unterhalten zu können.
Eine Kathodenkammer zur Erzeugung einer Niederspannungs-Bogenentladung der eingangs erwähnten Art ist im Anspruch 6 angegeben.
Eine Vakuumbehandlungsanlage, welche die Aufgabe unter dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung löst, ist im Anspruch 9 angegeben.
Wie erwähnt wurde, ergibt sich nun dank des erfindungsgemäßen Vorgehens die Möglichkeit, Verfahren bzw. Vakuumbehandlungsanlagen der genannten Gattungen erfindungsgemäß für speziell heikle Behandlungsprozesse einzusetzen, insbesondere zur Behandlung von Werkstücken in der Behandlungskammer mit elektrostatisch und/oder elektrodynamisch aus der Entladung in der Behandlungskammer herausgezogenen, monopolaren Ladungsträgern. Dazu gehören insbesondere elektronenstimulierte, chemische Reaktionen auf Werkstücken bei hoher Elektronendichte und kleiner Elektronenenergie bzw. Niedertemperatur-Werkstückbehandlungsprozesse in der Behandlungskammer und/oder Schichtwachstumsprozesse auf Werkstücken in der Behandlungskammer, für Homo- und Hetero-Epitaxie-Beschichtungsprozesse.
Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 in Form eines Blockdiagrammes, das Prinzip einer erfindungsgemässen Vakuumbe handlungsanlage bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 schematisch eine bevorzugte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Kathodenkammer, auch zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Verfahren,
3 schematisch einen Teilausschnitt des Überganges von Kathodenkammer in die Behandlungskammer gemäß 2 in einer weiteren Ausführungsvariante,
4a bis 4e Teilausschnitte des Überganges zwischen Kathodenkammer und Behandlungskammer gemäß 2 in weiteren Ausführungsvarianten,
5 qualitativ den Verlauf von Potentialen über der Zeitachse t an einer erfindungsgemäßen Kathodenkammer, wie an der Anlage gemäß 2 eingesetzt, zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Zündverfahrens,
6 schematisch die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vakuumbehandlungsanlage mit Magnetfeldquellen zur gesteuerten Beeinflussung der Plasmaausbreitung und insbesondere der Elektronenbahnen in der Behandlungskammer,
7 eine Anlage analog derjenigen von 2 schematisch dargestellt, bei welcher ein Werkstückträger außer Sicht bezüglich der thermionischen Kathode liegt und die Elektronen der Entladung, magnetfeldgesteuert, gegen den Werkstückträger bzw. die Werkstücke umgelenkt werden,
8 über den Radius eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mittels einer erfindungsgemäßen Behandlungsanlage geätzten Wafers aufgetragen, die Ätzverteilung in % ohne Magnetablenkung, und
9 die Ätzverteilung mit Magnetablenkung,
10 schematisch einen Teilausschnitt aus einer Anlage gemäß 2, bei welcher die Blen denanordnung mit zwei Druckstufen ausgebildet ist und zwischen den Druckstufen differentiell gepumpt wird.
In 1 ist in Form eines Funktionsblockdiagramms die vorliegende Erfindung unter ihrem ersten Aspekt prinzipiell dargestellt.
In einer Kathodenkammer 1 mit einer thermionischen Kathode 3 wird eine Niederspannungs-Bogenentladung mittels einer Zündanode 5 gezündet. Die Niederspannungs-Bogenentladung wird nach ihrem Zünden durch eine Blendenanordnung 7 mit mindestens einer Blendenöffnung 9 in eine Vakuumbehandlungskammer 11 gezogen. Dies erfolgt mit Hilfe einer Hauptanode 13, bezüglich der thermionischen Kathode 3 auf entsprechend positives anodisches Potential gelegt.
In der Vakuumbehandlungskammer 11 sind, je nach durchgeführtem Prozess potentialschwebend oder potentialgebunden, ein oder mehrere Werkstücke 15 gehaltert. Gaseinlässe sowie elektrische Speisungen und Pumpaggregate zu Kathodenkammer 1 bzw. Behandlungskammer 11 bzw. zwischen den elektrisch als Elektroden wirkenden kathodenkammerseitigen bzw. behandlungskammerseitigen Aggregaten sind in 1 nicht eingetragen.
Die Erfindung besteht darin, Wandungspartien 17, welche die mindestens eine Blendenöffnung 9 umgeben und welche gegen die Behandlungskammer 11 freiliegen, mit einem Schirm 20 zu versehen, welcher einerseits die mindestens eine Öffnung 9 der Blendenanordnung mindestens weitgehend, also, wenn überhaupt, mit nur geringfügigen Unterbrechungen umschließt und welcher bezüglich der Wandungsflächen der Partien 17, welche der Behandlungskammer 11 zugewandt sind, auf Dunkelraumabstand d gehalten ist. Dabei kann der Schirm 20 mit relativ großem Abstand die erwähnte Öffnung 9 umgeben, kann aber auch, wie noch ausgeführt werden soll, bis unmittelbar in den Öffnungsbereich gezogen sein.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen des Schirmes 20 wird ein arcing auf den erwähnten Wandungsflächen, weitestgehend verhindert und mithin auf denjenigen Partien der dem Prozessraum P in der Behandlungskammer 11 ausgesetzten Flächen, welche dem arcing am meisten ausgesetzt sind.
In 2 ist schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anlage dargestellt. Es sind Einheiten, die denjenigen entsprechen, welche bereits anhand von 1 erläutert wurden, mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Partien 17, welche die Blendenanordnung bzw. deren mindestens eine Öffnung 9 umranden, sind bei dieser Ausführungsvariante Teil der Kathodenkammerwand. Die Kathodenkammer 1 ist über Isolationsträger 22 an der Wand der Behandlungskammer 11 montiert. Hier umschließt der Schirm 20, der sowohl bezüglich der Kathodenkammer 1 wie auch bezüglich der Behandlungskammer 11 potentialschwebend betrieben wird, die erwähnten Partien 17 auf Dunkelraumabstand d bis unmittelbar in den Bereich der Blendenöffnung 9.
Die thermionische Kathode 3 wird mittels einer Quelle 24 mit dem Heizstrom I_H betrieben und ist über eine Spannungsquelle 26 und, generell gesprochen, eine Einheit 28 auf mindestens einen Teil der Kathodenkammerwand geführt, bevorzugterweise auf die Kathodenkammerwand an sich. Die Einheit 28 wirkt als Strombegrenzung und bewirkt, in Funktion des sie durchfließenden Stromes i, einen Spannungsabfall u. Sie kann, wie gestrichelt dargestellt, durch eine stromgesteuerte Spannungsquelle realisiert sein, wird aber bevorzugterweise durch ein passives Schaltelement, dabei insbesondere durch ein Widerstandselement 30, realisiert.
Der negative Pol der Spannungsquelle 26 kann auf ein Bezugspotential, sei dies Masse oder ein weiteres vorgegebenes Potential, gelegt werden oder kann potentialfrei betrieben werden, wie dies rein schematisch durch den Möglichkeitsumschalter 32 dargestellt ist. Desgleichen kann, da sie von der Kathodenkammer 1 elektrisch isoliert ist, die Behandlungskammer 11, wie mit dem Möglichkeitsumschalter 34 rein schematisch dargestellt, auf Massepotential, auf einem Bezugspotential oder gegebenenfalls sogar potentialschwebend betrieben werden. Je nach dem im Prozessraum P durchzuführenden Prozess wird die Behandlungskammer-Innenwand 36 oder mindestens Partien davon bezüglich der thermionischen Kathode 3 als Anode geschaltet, so dass sich die Entladung hauptsächlich zwischen der genannten Kathode 3 und den genannten Innenwandungspartien ausbildet.
Andernfalls wird, wie gestrichelt dargestellt, eine separate Anode 8 vorgesehen, welche über eine Spannungsquelle 14 mit Bezug auf die thermionische Kathode 3 anodisch, d. h. positiv, beschaltet wird. Dann ist man bezüglich Potentiallegung der Behandlungskammerwand pro zessangepasst frei. Als Anode kann dabei irgendein Teil in der Kammer 11 wirken, insbesondere auch ein Werkstückträger.
Der Kathodenkammer 1 und/oder der Behandlungskammer 11 wird über Gaszuspeiseleitungen 40 ein Ionisierungsgas für die Niederspannungsentladung zugeführt und gegebenenfalls wird der Kathodenkammer 1 und/oder bevorzugterweise der Behandlungskammer 11 ein Reaktivgas, zugeführt, welches in bekannter Art und Weise in der Glimmentladung chemisch mit am Prozess beteiligten Materieteilchen, wie verdampften oder abgeätzten, im Rahmen eines reaktiven Ätz- oder Beschichtungsprozesses reagiert.
Wie wiederum bei 35 schematisch dargestellt, kann die Gaszuspeiseleitung 40, entkoppelt vom Potential der Kammerwand, auf Massepotential, auf einem anderen Potential oder potentialfrei betrieben werden, um gezielt zusätzliche Anregungs- oder Ionisationseffekte zu erzeugen.
Im weiteren wird die Behandlungskammer 11 mittels eines Pumpaggregates 42 zur Vakuumlegung betrieben.
Die Blendenanordnung mit der mindestens einen Blendenöffnung 9 wirkt zusätzlich als Druckstufe zwischen dem Druck in der Kathodenkammer 1 und dem Druck in der Behandlungskammer 11. Je nach Ausbildung ihrer Druck-Entkopplungswirkung können die beiden Kammern, im wesentlichen druckunabhängig voneinander betrieben werden. Damit kann z. B. der Partialdruck eines Reaktivgases in der Behandlungskammer 11 wesentlich höher gehalten werden als in der Kathodenkammer 1, der mit einem solchen Gas, z. B. an der Kathode 3, reagieren und deren Standzeit drastisch reduzieren könnte. Umgekehrt kann der Partialdruck von Hintergrundgasen, wie z. B. von Ar, in der Behandlungskammer 11 wesentlich tiefer gehalten werden als in der Kathodenkammer 1, wo dieses Gas zur Erzeugung der Entladung notwendig ist.
Wie in 2 dargestellt, ist der Schirm 20 unmittelbar in den Bereich der Blendenöffnung 9 gezogen und bildet mit Teilen der Kathodenkammerwand einen Zwischenraum. Gleichzeitig bildet seine Öffnung 9a eine weitere Blende. Deshalb kann, wie mit 42a dargestellt, bei dieser Anordnung durch Abpumpen aus dem erwähnten Zwischenraum ein differentielles Pumpen realisiert werden, womit eine weitere Verbesserung der Druckentkopplung realisiert wird.
In 10 ist ausschnittsweise eine weitere Ausbildung des Blendenanordnungsbereiches an der Anlage gemäß 2 dargestellt, wo die Blendenanordnung selbst doppelt ausgebildet ist und im so gebildeten Zwischenraum 10 differentiell gepumpt wird. Auf die gemäß 10 bevorzugterweise vorgesehenen Rohrstutzen an den Blendenöffnungen 9a bzw. 9b wird im Zusammenhang mit 4 eingegangen.
In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist die Kathodenkammer in einer für sich erfinderischen Art und Weise ausgebildet, wie noch erläutert werden wird. Dies ist zur Realisation der Erfindung unter ihrem ersten Aspekt, nämlich Verhinderung des arcings, nicht erforderlich, d. h. ist unabhängig vom Vorsehen des Schirmes 20, wird aber bevorzugterweise damit kombiniert.
Bei dieser erfindungsgemäßen Kathodenkammer 1 ist mindestens ein Teil ihrer Innenwandung als Zündelektrode wirksam, bevorzugterweise in der in 2 dargestellten Art und Weise.
Die Funktion des dadurch realisierten Zündens soll anhand von 5 erläutert werden.
Darin sind über der Zeitachse t qualitativ eingetragen:

Φ_B: das negative Potential der Quelle 26 gemäß 2,
Φ_A: das Potential einer behandlungskammerseitig vorgesehenen Entladungsanode, wie 38 gemäß 2, oder mindestens von Teilen der Behandlungskammer-Innenwand 36,
Φ_Z: das Potential mindestens des Teils der Kathodenkammer-Innenwand, der als Zündelektrode eingesetzt wird,
Φ_K: das Potential der thermionischen Kathode 3, entsprechend dem negativen Pol der Quelle 26, das in 5 als Bezugspotential eingesetzt ist.

Zum Zünden der Niederspannungsentladung wird zuerst die thermionische Kathode 3 zur Elektronenemission mit dem Heizstrom I_H aufgeheizt. Es wird mindestens ein Ionisierungsgas, wie beispielsweise Argon, durch Leitung 40, über die Behandlungskammer 11 oder üblicherweise direkt in die Kathodenkammer 1 eingelassen.
Im dargestellten Beispiel von 2 wird die ganze Wand der Kathodenkammer 1 bezüglich der thermionischen Kathode 3 auf positives Potential gelegt, womit sich zwischen thermionischer Kathode 3 und Wandung der Kathodenkammer 1, vor Zünden der Entladung, die Zündspannung U_z gemäss 5 einstellt.
Aufgrund des durch die Abstandsrelation zwischen besagter Wand und der Kathode resultierenden elektrischen Feldes erfolgt die Zündung der Entladung, worauf, bezüglich des Elektronenstromes in Gegenrichtung (Stromrichtungskonvention), ein Strom i entsprechend einem Entladungsstromanteil durch die Einheit 28, in deren bevorzugter Ausführungsvariante durch das Widerstandselement 30, fließt.
Das Potential Φ_Z der Wandung der Kathodenkammer 1 sinkt, womit gemäß 5 während des Entladungsbetriebes zwischen der Wandung der Kathodenkammer 1 und der Kathode 3 sich eine wesentlich reduzierte Spannung U_B einstellt.
Damit wirkt im Betrieb die Wandung der Kammer 1 nur noch in vernachlässigbarem Masse als Anode. Die Primärentladung wird durch die Blendenanordnung mit der Öffnung 9 zwischen Kathode 3 und behandlungskammerseitiger Anode aufrechterhalten.
Um dieses einfache Vorgehen realisieren zu können, muss mindestens der als Zündelektrode verwendete Teil der Kathodenkammerwand dann vom Potential der Behandlungskammerwand getrennt sein, wenn letztere, wie bevorzugt, als behandlungskammerseitige Anode eingesetzt wird. Werden dabei in einfacher Art und Weise die gesamte Wand der Kathodenkammer und mithin auch die Partien 17 als Zündelektrode eingesetzt, so bleiben diese Partien 17 nach dem Zünden, wie 5 zeigt, kathodisch, womit sich dieses einfache Vorgehen insbesondere für heikle Prozesse erst durch das ebenfalls erfindungsgemäße Vorsehen des Schirmes 20 ohne arcing-Gefahr realisieren lässt.
In 3 ist mit Bezug auf die Erfindung unter ihrem ersten Aspekt dargestellt, dass die Blendenanordnung mit ihrer mindestens einen Öffnung 9 auch durch die Wandung der Behandlungskammer 11 gebildet sein kann.
In den 4a bis 4e sind weitere, teilweise bevorzugte Ausführungsvarianten des Ausschnittes gemäß 2 um die Blendenanordnung dargestellt.
Gemäß 4a ist der Schirm 20 an der Anordnung gemäß 2 nicht bis unmittelbar an die mindestens eine Öffnung 9 der Blendenanordnung gezogen, sondern umgibt die Partien 17 im Abstand von der Öffnung 9 der Blendenanordnung. Bereits dadurch wird eine maßgebliche Reduktion des arcings erzielt, und zwar insbesondere dann, wenn bei Einsatz der erfindungsgemäßen Kathodenkammer diese bezüglich der Behandlungskammerwand auf unterschiedlichem Potential betrieben wird, z. B. wenn letzteres als Anode eingesetzt ist.
Wie erwähnt wurde, ist es äußerst vorteilhaft, dass mit der Blendenanordnung eine Druckstufe zwischen Kathodenkammer und Behandlungskammer realisiert wird. Dieser Effekt kann gemäß den 4b bis 4d dadurch verstärkt werden, dass an der mindestens einen Blendenöffnung 9 kathodenkammerseitig und behandlungskammerseitig gemäß 4b je ein Rohrstutzen 44 bzw. 44_B vorgesehen wird bzw. gemäß 4c nur kathodenkammerseitig der Stutzen 44_K bzw. gemäß 4b nur behandlungskammerseitig der Stutzen 44_B .
Gestrichelt sind in den 4b bis 4d die erfindungsgemäßen Schirme 20 dargestellt.
Gemäß 4e wird der Stutzen 44_B1 durch den Schirm 20 gebildet, ist also potentialfliegend, wozu, wie schematisch dargestellt, gegebenenfalls zusätzliche Isolationsabstützungen 46 vorgesehen werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungsanlage wird eine Niederspannungs-Hochstrom-Gasentladung verwendet bzw. erzeugt. Dieses Verfahren eignet sich ausgezeichnet für Anwendungen, bei denen in der Behandlungskammer eine Materialabtragung an einer Oberfläche vorgenommen werden soll. Dabei können entweder Werkstücke oberflächengereinigt werden, oder es kann die Innenwand der Vakuumkammer 11 gemäß 2 gereinigt werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass ein reakti ver Abtragprozess, beispielsweise zum Entfernen von Verunreinigungen, die aus Oxid, Kohlenstoff und auch Kohlenverbindungen bestehen, mit Hilfe von Wasserstoffgas als Reaktivgas außerordentlich gute Resultate ergibt. Deshalb wird bei dieser Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der entsprechenden Anlage gemäß 2 Wasserstoffgas in die Behandlungskammer 11 eingelassen und in der Niedervolt-Bogenentladung aktiviert. Das dadurch realisierte Abtragungsverfahren ermöglicht die Reinigung von Oberflächen, auf welche anschließend haftfeste Schichten höchster Reinheit abgeschieden werden können. Dabei ergibt sich eine hohe Abtragrate, was eine hohe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bedeutet.
Aufgrund der hohen Ströme der Niederspannungsentladung trifft, je nach ihrer Bündelung, ein Elektronen-Strahl auf die Rezipientenwand, der lokale Erwärmungen bis beispielsweise 400°C ergeben kann, was in gewissen Fällen unzulässig ist. Trifft der Elektronenstrahl nicht auf die zu reinigende Rezipienteninnenwandung, sondern auf eine zu reinigende Substratoberfläche auf, so sind selbstverständlich die erwähnten Temperaturbelastungen in vielen Fällen ebenfalls unzulässig. Substrattemperaturen, welche unter anderem von der Prozesszeit abhängen, dürfen vielfach nicht mehr als 110°C betragen, was oft nach wenigen Minuten bereits erreicht ist. Im weiteren wird der Elektronenstrahl von Rest-Magnetfeldern der Anlage und Umgebung sowie vom Erdmagnetfeld abgelenkt. Damit ergeben sich Elektronenflugbahnen und damit ein Strahlauftreffbereich, der von der lokalen Anlagenorientierung im Raum abhängt.
Im weiteren ergibt sich bei der Oberflächenbehandlung von Substraten oft und insbesondere bei relativ gebündeltem Plasma der Niederspannungs-Bogenentladung eine inhomogene Bearbeitungswirkung, wie z. B. eine inhomogene Abtragrate, in dem Sinne, dass im einen Flächenbereich des Werkstückes bzw. Substrates mehr als in einem anderen abgetragen wird, und zwar relativ unkontrolliert.
All diese Probleme, welche sich durch die hohen Werte des Entladungsstromes von beispielsweise 90 Ampere bei 40 Volt ergeben, lassen sich durch Anlegen eines zeitkonstanten und/oder zeitvariablen Magnetfeldes in der Behandlungskammer weitgehend lösen.
Um zu verhindern, dass beim Reinigen der Rezipientenwand oder eines Substrates eine zu hohe lokale Erwärmung auftritt, werden die Elektronen des Niederspannungs-Entladungs plasmas mittels eines Magnetfeldes abgelenkt, d. h. der zu reinigende Bereich wird überstrichen oder es wird der Elektronenstrahl mit Hilfe des Magnetfeldes örtlich oszillierend betrieben, d. h. gewobbelt. Damit ergibt sich entlang der gereinigten Oberfläche ein Temperaturausgleich.
Einflüsse des Erdmagnetfeldes und von Restmagnetfeldern auf die Bahn der Elektronen werden, nachdem eine Anlage an ihrem Bestimmungsort aufgestellt ist, mit Hilfe von Kompensationsmagnetfeldern an der Behandlungskammer kompensiert. Eine inhomogene Wirkungsverteilung der Niederspannungsentladung auf einem zu bearbeitenden Substrat, insbesondere auf einem zu ätzenden, beispielsweise reinigungszuätzenden Substrat, wird ebenfalls durch Anlegen bahnkorrigierender Magnetfelder mindestens teilweise behoben, wobei mit den erwähnten Magnetfeldern der Elektronenstrahl auch aufgeweitet werden kann. Der Unterschied eines Ätzprozesses mit und ohne Magnetablenkung an einer Anlage gemäß 2 ist in den 8 und 9 veranschaulicht:
Das Ätzprofil lässt sich magnetisch steuern.
Im weiteren wird durch Anlegen eines Magnetfeldes die Plasmadichte erhöht. Erfolgt dies im Bereich eines zu ätzenden Substrates, so wird durch die lokale Erhöhung der Plasmadichte die Abtragrate erhöht, ohne dass die kinetische Energie auftreffender Partikel erhöht würde. Mithin wird dadurch die Ätzrate erhöht und die Bearbeitungszeit und damit die thermische Belastung des Substrates reduziert.
In 6 ist rein schematisch die Behandlungskammer 11 gemäß 2 dargestellt, mit einer schematisch dargestellten Elektronenbahn e. Durch Anlegen des Magnetfeldes B wird die Bahn e, wie gestrichelt eingetragen, abgelenkt. Die Erzeugung des Magnetfeldes B erfolgt mittels Permanentmagneten oder, wie dargestellt, mittels Elektromagneten, die als Paar, oder im Sinne eines Quadrupols, als Doppelpaar entlang der Wandung der Behandlungskammer vorgesehen sind und zur Optimierung der Elektronenbahnen bzw. des Elektronenstrahls, eingestellt werden.
Gemäß 7, welche im Längsschnitt schematisch die Anlage gemäß 2 zeigt, ist ein Werkstückträger 50 in der Behandlungskammer 11 so angeordnet, dass er außer Sichtverbindung zur thermionischen Kathode 3 ist. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass störende Wechselwirkungen von Kathode und Werkstück unterbunden sind. Der Elektronenstrahl e wird mittels des Magnetfeldes B nach Austreten aus der Blende 9 gegen den Werkstückträger 50 bzw. die Werkstücke abgelenkt.
Somit können durch Anlegen von Magnetfeldern der Verlauf und/oder die Aufweitung des Elektronenstrahls im Niederspannungsentladungsplasma gezielt gestellt werden.
Rückblickend auf die Anlage gemäß 2 wurde weiter ein Widerstandswert für das Widerstandselement 30 von 22 Ohm eingesetzt, was bei einem Gesamtentladungsstrom 10 bis 20 Ampere und einer Kathoden/Anoden-Spannung von 25 Volt zu einem Strom von 1 Ampere durch besagten Widerstand führte. Im weiteren muss erwähnt werden, dass der gefundene starke Einfluss der erwähnten Magnetfelder, und damit die gute Steuerbarkeit der Elektronenbahnen, wesentlich dadurch bedingt ist, dass die kinetische Energie der Elektronen dank der eingesetzten Niederspannungsentladung gering ist.
Die erfindungsgemäße Anlage bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ergeben die Möglichkeit, Niederspannungsentladungen einzusetzen für hoch diffizile Anwendungen, wie beispielsweise für die Halbleiterherstellung, bei denen Prozessgas-Partialdrucke von typisch kleiner als 10^–9 mbar eingesetzt werden müssen. Das Vorgehen ergibt aber bereits bei wesentlich höheren Prozess-Total-Drücken schon ab 10^–1 mbar bezüglich des erwähnten arcings wesentliche Vorteile.
Falls das erfindungsgemäße Vorgehen für Hochvakuum oder gar Ultrahochvakuum-Anwendungen eingesetzt wird, werden selbstverständlich die Isolations- bzw. Dichtungsverbindungen der in 2 prinzipiell vorzusehenden Teile gemäß den in den jeweiligen Vakuumbereichen üblichen Techniken ausgeführt. Gerade bei Behandlungsprozessen, in welchen extrem tiefe Partialdrucke der beteiligten Prozessgase bzw. Arbeitsgase sicherzustellen sind, hat sich die Ausbildung der Blendenanordnung zur Druckstufenbildung gemäß den 4b bis 4e bzw. 10 ausgezeichnet bewährt.
Damit lassen sich nun die erwähnten Niederspannungs-Bogenentladungen einsetzen für hoch diffizile Verfahren, wie insbesondere für die Behandlung von Werkstücken mit elektrostatisch aus der Entladung in der Behandlungskammer ausgezogenen monopolaren Ladungsträgern, wie für elektronenstimulierte chemische Reaktionen auf den Werkstücken bei hoher Elektronendichte und kleiner Elektronenenergie, dabei insbesondere auch für Niedertemperatur-Behandlungsprozesse, Schichtwachstumsprozesse auf den Werkstücken, so wie Homo- und Hetero-Epitaxie-Beschichtungsprozesse.

Claims

Verfahren zum Zünden und Betreiben einer Niederspannungs-Bogenentladung in einer Kathodenkammer (1), in der mindestens eine thermionische Kathode (3) vorgesehen ist, die auf einem Kathodenpotential Φ_K betrieben wird, wobei die Kathodenkammer mit einer Vakuumbehandlungskammer (11) durch eine Blendenanordnung (7, 9) mit mindestens einer Bogenaustrittsöffnung (9) verbunden ist und zur Vakuumbehandlungskammer hin freiliegende Partien (17) aufweist, denen zur Vakuumbehandlungskammer hin auf Dunkelraumabstand ein Schirm (20) vorgelagert ist, und wobei mindestens Teile einer Kathodenkammer-Innenwand einschließlich der Blendenanordung (7, 9) dadurch als Zündelektrode betrieben werden, dass sie über ein Strombegrenzungselement (30) auf ein Festpotential Φ_B gelegt werden, wobei die Potentialdifferenz zwischen dem Festpotential Φ_B und dem Kathodenpotential einer Zündspannung der Niederspannungs-Bogenentladung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (20) zur Unterdrückung der Funkenbildung potentialschwebend betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Zündelektrode dienenden Teile der Kathodenkammer-Innenwand zum Zünden der Niederspannungs-Bogenentladung einerseits und zu deren Dauerbetrieb andererseits auf unterschiedlichen Potentialen (Φ_B; Φ_B-u) betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der Kathodenkammer-Innenwand auf das Festpotential Φ_B mittels einer Einheit (28) gelegt werden, welche eine Spannung in Abhängigkeit des sie durchfließenden Stromes i erzeugt, und dass das Strombegrenzungselement (30) ein passives Schaltelement ist, bevorzugt ein Widerstandselement, an dem ein Teil des Entladungsstromes bei Betrieb der Niederspannungs-Bogenentladung einen Spannungsabfall u bewirkt, durch den das Potential vom Zündpotential Φ_B gegen das Kathodenpotential Φ_K verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenanordnung (7, 9) als Druckstufe zwischen der Kathodenkammer (1) und der Vakuumbehandlungskammer (11) dient und die Kathodenkammer (1) und die Vakuumbehandlungskammer (11) auf unterschiedlichen Betriebsdrücken betrieben werden.
Kathodenkammer zur Erzeugung einer Niederspannungs-Bogenentladung, mit einer auf einem Kathodenpotential Φ_K liegenden thermionischen Kathode (3), wobei die Kathodenkammer mit einer Vakuumbehandlungskammer (11) verbindbar ist durch eine Blendenanordnung (7, 9) mit mindestens einer Bogenaustrittsöffnung (9) und zur Vakuumbehandlungskammer hin freiliegende Partien (17) aufweist, denen zur Vakuumbehandlungskammer hin auf Dunkelraumabstand ein Schirm (20) vorgelagert ist, und wobei mindestens Teile einer Kathodenkammer-Innenwand einschließlich der Blendenanordnung (7, 9) über ein Strombegrenzungselement (30) auf ein Festpotential Φ_B derart gelegt sind, dass eine Potentialdifferenz zwischen dem Festpotential und dem Kathodenpotential der Zündspannung der Niederspannungs-Bogenentladung entspricht.
Kathodenkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential Φ_B der als Zündelektrode dienenden Partien (17) ein vom Entladungsstrom abhängiges Potential ist, und dass im stromlosen Zustand die Potentialdifferenz zum Kathodenpotential Φ_K der Zündspannung der Niederspannungs-Bogenentladung entspricht.
Kathodenkammer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strombegrenzungselement (30) ein Widerstandselement ist.
Vakuumbehandlungsanlage mit einer Kathodenkammer nach einem der Ansprüche 6 bis 8 und einer mit dieser verbundenen Vakuumbehandlungskammer.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder der Kathodenkammer und Vakuumbehandlungsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Behandlung von Werkstücken in der Vakuumbehandlungskammer mit elektrostatisch und/oder elektrodynamisch aus der Niederspannungs-Bogenentladung in der Behandlungskammer extrahierten monopolaren Ladungsträgern, wie für elektronenstimulierte chemische Reaktionen auf dem Werkstück bei hoher Elektronendichte und kleiner Elektronenenergie.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder, der Kathodenkammer und Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9 für Niedertemperatur-Werkstück-Behandlungsprozesse und/oder Schichtwachstumsprozesse auf Werkstücken in der Behandlungskammer, wie für Homo- und Hetero-Epitaxie-Beschichtungsprozesse.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder der Kathodenkammer und Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9 für das Abtragen oder Reinigen einer Werkstückoberfläche oder der Behandlungskammerwand bzw. von Teilen in der Behandlungskammer.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoffgas in die Behandlungskammer eingelassen wird und mittels der Niederspannungs-Bogenentladung aktiviert wird.