DD249588A1 - Einrichtung zur erzeugung eines plasmas mittels kalter katode - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mittels kalter Katode. Derartige Einrichtungen dienen u. a. zur Ionisierung von Gasen und Daempfen im Vakuum zur Durchfuehrung von plasmagestuetzten Beschichtungsverfahren, Plasmaaetzverfahren oder anderen Plasmabehandlungsverfahren. Der besondere Vorteil derartiger Plasmaerzeuger mit kalter Katode besteht darin, dass z. T. erhebliche thermische Belastungen der Substrate durch Strahlungswaerme, z. B von Gluehkatoden, vermieden werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung eines grossflaechigen homogenen Plasmas mittels kalter Katode, ohne nennenswerte Katodenzerstaeubung und relativ einfachen Mitteln zu schaffen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass eine Vielzahl von axial uebereinander angeordneten magnetfelderzeugenden Einrichtungen durch radial groessere weichmagnetische Katodenbleche voneinander getrennt sind und die Anode das Katodensystem transparent koaxial umschliesst, wobei die Anode im aeusseren Bereich der Katodenbleche geschlossen ausgebildet ist. Figur

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mittels kalter Katode. Derartige Einrichtungen dienen u. a. zur Ionisierung von Gasen und Dämpfen im Vakuum zur Durchführung von plasmagestützten Beschichtungsverfahren, Plasmaätzverfahren oder anderen Plasmabehandlungsverfahren. Der besondere Vorteil derartiger Plasmaerzeuger mit kalter Katode besteht darin, daß zum Teil erhebliche thermische Belastungen der Substrate durch Strahlungswärme, z. B. von Glühkatoden, vermieden werden. Temperaturempfindliche Substrate können z. B. Plastteile sein.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen '

Plasmaquellen mit kalter Katode bzw. Elektronenstoß-Ionenquellen mit Kaltkatoden-Gasentladung gehen auf das Penning-Prinzip zurück. Unter der Wirkung eines elektrischen und eines magnetischen Feldes beschreiben die Elektronen komplizierte Schraubenbahnen, wobei sie mehrfach um die Anode pendeln. Auf diesem langen Weg kommt es zu Zusammenstößen mit Gasteilchen und der Erzeugung positiver Gasionen, die vom Magnetfeld nur wenig abgelenkt werden und auf-die Katode treffen. Dort lösen sie sekundäre Elektronen aus, die ebenso wie die bei der Ionisierung entstandenen in der Lage sind, weitere Gasteilchen zu ionisieren. Beim Auftreffen der Ionen auf die Katode kann es dabei auch zum Ausschießen von Atomen oder Atomgruppen kommen. Dieser Effekt wird im breiten Umfang für die bekannte Technik der Katodenzerstäubung bzw. des Sputterns ausgenutzt. Kennzeichnend für den Stand der Technik ist insgesamt, daß Plasmaquellen bzw. lonenquellen mit kalter Katode ohne merkliche Katodenzerstäubung nur für kleine Plasmaräume, z. B. bei Katoden-Ionisationsmanometern, eingesetzt werden. Größere Einrichtungen weisen eine hohe Katodenzerstäubung auf und werden auch dafür eingesetzt (US 4 407 713; JP 59-179 782). Andere größere Plasmaquellen ohne erforderliche oder gewünschte Katodenzerstäubung arbeiten mit heißen Katoden, als Glühkatoden oder Hohlkatoden (DD-WP 146 307).

Großflächige Plasmaerzeuger mit kalter Katode ohne merkliche Katodenzerstäubung sind nicht bekannt. Als weitere Plasmaerzeugungseinrichtung ist die Plasmaerzeugung mittels Mikrowellen bekannt. Eine derartige Einrichtung ist z. B. in der DE 3 117 252 beschrieben. Dabei wird das Trägergas mit Mikrowellen überlagert in eine Plasmakammer eingelassen, dort mit einem axialen Magnetfeld überlagert und als Plasmastrahl in die Bearbeitungskammer auf die Substrate gerichtet. Nachteilig ist bei diesen Plasmaerzeugern der erhebliche technische Aufwand.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das ZieJ, wärmeempfindliche Substrate in einem Plasma zu behandeln, z. B. zu beschichten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung eines großflächigen homogenen Plasmas mittels kalter Katode ohne nennenswerte Katodenzerstäubung und relativ einfachen technischen Mitteln zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß eine Vielzahl von axial übereinander angeordneten magnetfelderzeugenden Einrichtungen durch radial größere weichmagnetische Katodenbleche voneinander getrennt sind und die Anode das Katodensystem transparent koaxial umschließt, wobei die Anode im äußeren Bereich der Katodenbleche geschlossen ausgebildet ist.

Die axialen magnetfelderzeugenden Einrichtungen sind vorteilhaft zwischen den Katodenblechen mit koaxialen isolierenden Hülsen umgeben und als Magnete werden Permanentmagnete eingesetzt. Der Durchmesser der weichmagnetischen Katodenbleche wird so gewählt, daß zwischen zwei benachbarten Katodenblechen, den magnetfelderzeugenden Einrichtungen und der Anode, geeignete Entladungskammern entstehen. Ihre Optimierung ist stark von der gegebenen elektrischen und magnetischen Feldstärke

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abhängig. Bei einer koaxialen Ausführung bilden sich damit ringförmige Kammern. Entsprechend der Aufgabenstellung, daß möglichst wenig Bestandteile der Katode in das Plasma gelangen sollen, ist es vorteilhaft, die Katodenbleche mit einer schwerzerstäubbaren Schicht zu belegen. Als günstig haben sich ionengestützt abgeschiedene Kohlenstoffschichten erwiesen, die auch als iC- oder diamond like carbon-Schichten bekannt sind.

Die zu behandelnden Substrate werden in der bisher beschriebenen Anordnung koaxial um diese plasmaerzeugende Einrichtung angeordnet.

Zum Betreiben der Einrichtung wird der umgebende Vakuumraum auf einen Druck von 0,1 bis 0,01 Pa evakuiert und zwischen Katode und Anode eine Gleichspannung von einigen 100 V angelegt. Im Falle des Einsatzes von Elektromagneten müssen dies ebenfalls an Spannung gelegt werden. Die sich einstellenden elektrischen und magnetischen Felder bewirken die Anregung der im · natürlichen Gas vorhandenen Ladungsträger, die Bildung von Gasionen und deren Beschleunigung in Richtung auf die Katodenteile.

Dort treffen die Ionen mit einer Energie von einigen 100 eV auf und lösen neue Elektronen aus, die im elektrischen und magnetischen Feld auf komplizierte Bahnen zur Anode beschleunigt werden und auf diesem Weg wiederum zur Ionisierung beitragen. Dieser Prozeß bildet sich sehr zügig zu einer stabilen Plasmaentladung aus. Die besondere Gestaltung der Anode, mit der Undurchlässigkeit im Bereich der Katodenbleche und der Transparenz im Bereich der einzelnen Entladungskammern zwischen den Katodenblechen, führt zu einem guten homogenen Plasma. Die Ausnutzung dieses Plasmas für Beschichtungs-, Ätz- oder andere Bearbeitungsprozesse kann dann in bekannter Weise erfolgen. Zum Beispiel können die Substrate bzw. der Substrathalter auf ein gegenüber der Katode hochnegatives Potential gelegt werden, dadurch kommt es zu einer Extraktion der Ionen aus dem Plasma und Beschleunigung derselben auf die Substrate. Ein äquivalenter Effekt kann auch mittels bekannter Extraktionselektroden erzielt werden.

Bei allen Anwendungen ist auch der Einsatz von Reaktivgasen oder -dämpfen bzw. Gasgemischen möglich.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, daß statt des koaxialen Aufbaues ein planarer Aufbau gewählt wird, bei dem sinngemäß magnetfelderzeugende Einrichtungen nebeneinander angeordnet werden und durch sich kreuzende weichmagnetische Katodenbleche voneinander getrennt sind. Die Anode befindet sich in ebener Ausführung über den Katodenblechen. Mit dieser Ausführungsform ist es gut möglich größere ebene Substrate zu behandeln.

Der technisch ökonomische Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit relativ einfachen Mitteln ein Plasma ohne thermische Elektronenemission erzeugt wird, welches großflächig ausgebildet werden kann und weitgehend frei ist von störendem Katodenmaterial.

Ein besonders vorteilhaftes Einsatzgebiet liegt bei plasmagestützten Beschichtungsprozessen (lon plating), ζ. Β. zur Abscheidung von Kohlenstoff aus einer Kohlenwasserstoffatmosphäre.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung soll zur Herstellung von abriebfesten und transparenten Siloxanschichten auf eine Vielzahl von Substraten in einer größeren Vakuumbeschichtungseinrichtung eingesetzt werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung im Schnitt. In der Vakuumkammer 1, mit dem Saugstutzen 2 und einem Gaseinlaß 3, ist zentrisch und axial die erfindungsgemäße Einrichtung angeordnet. Die Substrate 4 sind auf einer Substrathalterung 5 koaxial um die Plasmaquelle angeordnet.

Die Plasmaquelle als erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus den zylindrischen Permanentmagneten 6, die zu je 3 Stück gestapelt von einem isolierenden Glasrohr 7 umgeben und gehaltert sind, den weichmagnetischen Katodenblechen 8, die zentrisch eine kleine Aussparung zur Lageorientierung der Permanentmagneten 6 haben, und der die Katodeneinheit umgebende Anode, die aus den nichttransparenten Teilen 9 im Bereich der Katodenbleche 8 und den transparenten Teilen 10 gebildet wird.

Im Beispiel wurde der Durchmesser D der Katodenbleche 8 mit D = d χ 4λ gewählt, wobei d der Durchmesser der magnetfelderzeugenden Einrichtung und λ die mittlere freie Weglänge der Elektronen ist. Der Abstand der Katodenbleche voneinander wurde mit 5 χ d gewählt.

Über den Anschluß 11 wird das Katodenpotential, den Anschluß 12 das Anodenpotential und den Anschluß 13 das Substratpotential zugeführt.

Die Nutzung der Einrichtung zur Beschichtung der Substrate geschieht in folgender Weise.

Die Vakuumkammer 1 wird evakuiert und ein Inertgas z. B. Argon, bis zu einem Druck von etwa 5 x 10~² Pa eingelassen. Die Regelung erfolgt in bekannter Weise durch geregelten Gaseinlaß bei gleichmäßiger Absaugung über den Saugstutzen 2. Zwischen den Katodenblechen 8 und den Anodenteilen 9 und 10 wird eine Spannung von 800 V angelegt. Bei dem genannten Arbeitsdruck fließt ein Entladungsstrom zwischen Anode und Katode von etwa 5 A. Der Substrathalter 5, auf dem die Substrate 4 angeordnet sind, ist kühl- und heizbar und liegt an einem Potential von -500 V zur Katode. Die sich einstellende Substratstromdichte beträgt

Verfahrensgemäß wird anfänglich vorteilhafterweise bei noch höherer negativer Substratspannung ein lonenbeschuß mit Argonionen zur lonenreinigung durchgeführt. Zur Beschichtung der Substrate mit der geforderten Siloxanschicht wird ein Gasgemisch aus Argon und Hexamethyldisiloxan (HMDS) eingelassen.

Die Gasentladung zwischen Katode und Anode führt zur Zersetzung und Ionisierung der HMDS-Bestandteile mit nachfolgender Abscheidung einer abriebfesten und transparenten Siloxanschicht. Die thermische Belastung der Substrate erfolgt nur über den ionenbeschuß, eine Strahlungsaufheizung tritt nicht ein.

Konstruktiv mechanische Einzelheiten sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Alle elektrisch wirksamen Bauelemente sind untereinander und zur Vakuumkammer 1 isoliert angeordnet.

Der Vorteil der erfinderischen Lösung besteht darin, daß sich zwischen den Katodenplatten in axialer Richtung ein sehr homogenes Magnetfeld ausbildet und zwischen den Katodenplatten und den nichttransparenten Teilen 9 der Anode leicht eine Gasentladung zündet. Dieser innere Wirkungsmechanismus ist in Verbindung mit dem transparenten Teil 10 der Anode ausschlaggebend für einen gleichmäßigen und großflächigen lonenstrom zu den Substraten.

Claims (4)

1. Patentanspruch:

   1. Einrichtung zur Erzeugung eines Piasmas mittels kalter Katode, bei der elektrische und magnetische Felder einander überlagert sind, gekennzeichnet dadurch, daß als Katodensystem eine Vielzahl von axial übereinander angeordnete magnetfelderzeugende Einrichtungen, die jeweils von einer elektrisch isolierenden Hülse umgeben sind, durch radial größere weichmagnetische Katodenbleche voneinander getrennt sind und daß die Anode das Katodensystem umschließt, derartig, daß sie im äußeren Bereich der Katodenbleche als geschlossene Elektrode und im Bereich der zwischen den Katodenblechen gebildeten Entladungskammern als transparente Elektrode ausgebildet ist.
2. 2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetfelderzeugenden Einrichtungen aus Permanentmagneten bestehen.
3. 3. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Katodenbleche mit einer schwer zerstäubbaren Schicht, insbesondere aus Kohlenstoff, beschichtet sind.
4. 4. Einrichtung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Plasmaquelle sinngemäß als planare Plasmaquelle ausgebildet ist, wobei die magnetfelderzeugenden Einrichtungen raster- oder linienförmig durch die Katodenbleche voneinander getrennt sind.