DD249588A1 - DEVICE FOR GENERATING A PLASMA USING THE COLD CATALOG - Google Patents
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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. FigurThe invention relates to a device for generating a plasma by means of cold cathode. Such devices are u. a. for the ionization of gases and vacuum evaporation for the performance of plasma-assisted coating processes, plasma etching processes or other plasma treatment processes. The particular advantage of such plasma generator with cold cathode is that z. T. significant thermal stress on the substrates by radiant heat, z. B of glow cathodes, be avoided. The invention has for its object to provide a device of grossflaechigen homogeneous plasma by means of cold cathode, without significant Katodenzerstaeubung and relatively simple means. According to the invention, the object is achieved in such a way that a multiplicity of axially superimposed magnetic-field-generating devices are separated from one another by radially larger, soft-magnetic cathode plates and the anode encloses the cathode system in a coaxially transparent manner, wherein the anode is designed to be closed in the outer region of the cathode plates. figure
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
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.The invention relates to a device for generating a plasma by means of cold cathode. Such devices are u. a. for the ionization of gases and vapors in a vacuum for performing plasma-assisted coating processes, plasma etching processes or other plasma treatment processes. The particular advantage of such plasma generator with cold cathode is that sometimes considerable thermal loads on the substrates by radiant heat, for. B. of Glühkatoden be avoided. Temperature-sensitive substrates can, for. B. be plastic parts.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen 'Characteristic of the known technical solutions'
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).Plasma sources with cold cathode or electron impact ion sources with cold cathode gas discharge are based on the Penning principle. Under the effect of an electric and a magnetic field, the electrons describe complicated screw paths, oscillating around the anode several times. Along this long path, there are collisions with gas particles and the generation of positive gas ions, which are only slightly deflected by the magnetic field and hit the cathode. There, they release secondary electrons, which, like those produced during ionization, are able to ionize further gas particles. When the ions strike the cathode, atoms or groups of atoms may also be imparted. This effect is widely used for the known sputtering technique. Characteristic of the prior art is overall that plasma sources or ion sources with cold cathode without noticeable sputtering only for small plasma rooms, z. As in cathode ionization, are used. Larger devices have high cathode sputtering and are also used (US 4,407,713, JP 59-179,782). Other larger plasma sources without required or desired sputtering work with hot cathodes, as Glühkatoden or hollow cathodes (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.Large-area plasma generator with cold cathode without noticeable sputtering are not known. As a further plasma generating device plasma generation by means of microwaves is known. Such a device is z. B. in DE 3 117 252 described. The carrier gas is superimposed with microwaves embedded in a plasma chamber, superimposed there with an axial magnetic field and directed as a plasma jet into the processing chamber on the substrates. A disadvantage is the considerable technical effort in these plasma generators.
Die Erfindung hat das ZieJ, wärmeempfindliche Substrate in einem Plasma zu behandeln, z. B. zu beschichten.The invention has the object to treat heat-sensitive substrates in a plasma, for. B. to coat.
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.The invention has for its object to provide a means for generating a large-scale homogeneous plasma by means of cold cathode without significant sputtering and relatively simple technical means.
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.According to the invention, the object is achieved in that a plurality of axially superimposed magnetic field generating devices are separated by radially larger soft magnetic cathode plates and the anode surrounds the cathode system coaxially transparent, wherein the anode is formed closed in the outer region of the cathode plates.
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 FeldstärkeThe axial magnetic field generating devices are advantageously surrounded between the cathode plates with coaxial insulating sleeves and permanent magnets are used as magnets. The diameter of the soft magnetic cathode plates is chosen so that between two adjacent cathode plates, the magnetic field generating devices and the anode, suitable discharge chambers arise. Their optimization is strongly dependent on the given electric and magnetic field strength
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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.dependent. In a coaxial design thus form annular chambers. In accordance with the problem that as few components of the cathode as possible should enter the plasma, it is advantageous to cover the cathode plates with a layer which is difficult to atomize. Carbon-deposited deposited carbon layers have proved to be favorable, which are also known as iC- or diamond-like carbon layers.
Die zu behandelnden Substrate werden in der bisher beschriebenen Anordnung koaxial um diese plasmaerzeugende Einrichtung angeordnet.The substrates to be treated are arranged coaxially around this plasma-generating device in the arrangement described so far.
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.To operate the device, the surrounding vacuum space is evacuated to a pressure of 0.1 to 0.01 Pa and applied a DC voltage of several 100 V between the cathode and anode. In the case of the use of electromagnets, this must also be put on voltage. The resulting electric and magnetic fields cause the excitation of the charge carriers present in the natural gas, the formation of gas ions and their acceleration in the direction of the cathode parts.
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.There, the ions hit with an energy of a few 100 eV and release new electrons, which are accelerated in the electric and magnetic field on complicated paths to the anode and in turn contribute to the ionization in this way. This process forms very quickly to a stable plasma discharge. The special design of the anode, with the impermeability in the region of the cathode plates and the transparency in the region of the individual discharge chambers between the cathode plates, leads to a good homogeneous plasma. The utilization of this plasma for coating, etching or other machining processes can then take place in a known manner. For example, the substrates or the substrate holder can be placed on a potential which is highly negative with respect to the cathode, as a result of which the ions are extracted from the plasma and accelerated on the substrates. An equivalent effect can also be achieved by means of known extraction electrodes.
Bei allen Anwendungen ist auch der Einsatz von Reaktivgasen oder -dämpfen bzw. Gasgemischen möglich.In all applications, the use of reactive gases or vapors or gas mixtures is possible.
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.A further embodiment is that instead of the coaxial structure, a planar structure is selected in which mutatis mutandis magnetic field generating devices are arranged side by side and are separated by intersecting soft magnetic cathode plates. The anode is in a flat version over the cathode plates. With this embodiment, it is easily possible to treat larger flat substrates.
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.The technical economic advantage of the invention is that with relatively simple means a plasma without thermal electron emission is generated, which can be formed over a large area and is largely free of interfering cathode material.
Ein besonders vorteilhaftes Einsatzgebiet liegt bei plasmagestützten Beschichtungsprozessen (lon plating), ζ. Β. zur Abscheidung von Kohlenstoff aus einer Kohlenwasserstoffatmosphäre.A particularly advantageous field of application lies in plasma-based coating processes (ion plating), ζ. Β. for the separation of carbon from a hydrocarbon atmosphere.
Ausführungsbeispielembodiment
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung soll zur Herstellung von abriebfesten und transparenten Siloxanschichten auf eine Vielzahl von Substraten in einer größeren Vakuumbeschichtungseinrichtung eingesetzt werden.A device according to the invention is intended to be used for producing abrasion-resistant and transparent siloxane layers on a large number of substrates in a larger vacuum coating device.
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.The accompanying drawing shows schematically a device according to the invention in section. In the vacuum chamber 1, with the suction nozzle 2 and a gas inlet 3, the device according to the invention is arranged centrally and axially. The substrates 4 are arranged on a substrate holder 5 coaxially around the plasma source.
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.The plasma source as a device according to the invention consists of the cylindrical permanent magnet 6, which are stacked and supported by 3 pieces stacked by an insulating glass tube 7, the soft magnetic cathode plates 8, which have a small recess for positional orientation of the permanent magnet 6 centrally, and surrounding the cathode unit Anode, which is formed from the non-transparent parts 9 in the region of the cathode plates 8 and the transparent parts 10.
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.In the example, the diameter D of the cathode plates 8 was chosen to be D = d χ 4λ, where d is the diameter of the magnetic field generating device and λ is the mean free path of the electrons. The distance between the cathode plates was chosen to be 5 χ d.
Über den Anschluß 11 wird das Katodenpotential, den Anschluß 12 das Anodenpotential und den Anschluß 13 das Substratpotential zugeführt.Via the terminal 11, the cathode potential, the terminal 12, the anode potential and the terminal 13, the substrate potential is supplied.
Die Nutzung der Einrichtung zur Beschichtung der Substrate geschieht in folgender Weise.The use of the device for coating the substrates is done in the following manner.
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 beträgtThe vacuum chamber 1 is evacuated and an inert gas z. As argon, admitted to a pressure of about 5 x 10 ~ 2 Pa. The control takes place in a known manner by controlled gas inlet with uniform suction through the suction nozzle 2. Between the cathode plates 8 and the anode parts 9 and 10, a voltage of 800 V is applied. At the said working pressure, a discharge current between anode and cathode of about 5 A flows. The substrate holder 5, on which the substrates 4 are arranged, can be cooled and heated and is at a potential of -500 V to the cathode. The self-adjusting substrate current density is
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.According to the method, initially with an even higher negative substrate voltage, ion bombardment with argon ions for ion cleaning is advantageously carried out. To coat the substrates with the required siloxane layer, a gas mixture of argon and hexamethyldisiloxane (HMDS) is introduced.
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.The gas discharge between the cathode and anode leads to the decomposition and ionization of the HMDS components with subsequent deposition of an abrasion-resistant and transparent siloxane layer. The thermal loading of the substrates takes place only via the ion bombardment, radiation heating does not occur.
Konstruktiv mechanische Einzelheiten sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Alle elektrisch wirksamen Bauelemente sind untereinander und zur Vakuumkammer 1 isoliert angeordnet.Structural mechanical details are not shown in the drawing. All electrically active components are arranged insulated from each other and to the vacuum chamber 1.
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.The advantage of the inventive solution is that forms a very homogeneous magnetic field between the cathode plates in the axial direction and between the cathode plates and the non-transparent parts 9 of the anode easily ignites a gas discharge. This internal mechanism of action in conjunction with the transparent part 10 of the anode is crucial for a uniform and large-area ion current to the substrates.
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| DD29083286A DD249588A1 (en) | 1986-06-02 | 1986-06-02 | DEVICE FOR GENERATING A PLASMA USING THE COLD CATALOG |
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| DD (1) | DD249588A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19928053C2 (en) * | 1999-06-15 | 2003-05-15 | Hermann Schlemm | Arrangement for generating a low-temperature plasma by a magnetic field-assisted cathode discharge |
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1986
- 1986-06-02 DD DD29083286A patent/DD249588A1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19928053C2 (en) * | 1999-06-15 | 2003-05-15 | Hermann Schlemm | Arrangement for generating a low-temperature plasma by a magnetic field-assisted cathode discharge |
| DE19928053C5 (en) * | 1999-06-15 | 2005-12-22 | Hermann Dr. Schlemm | Arrangement for generating a low-temperature plasma by a magnetic field-supported cathode discharge |
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