DE10015699A1 - Schaltungsanordnung zur Impedanzkompensation - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Impedanzkompensation, die an Vorrichtungen zur plasmagestützten Oberflächenbearbeitung in Vakuumkammern eingesetzt werden kann. Aufgabengemäß soll mit der Erfindung die Plasmaimpedanz, insbesondere auch im hochfrequenten Bereich, einfach und kostengünstig kompensiert werden können, um Leistungsverluste zu vermeiden und eine ausreichend hohe Spannung zur Zündung von Niederdruckgasentladungen an Elektroden in Vakuumkammern zur Verfügung zu stellen, wobei zur Oberflächenbearbeitung großformatige Elektrodenflächen für entsprechend großformatige Substrate eingesetzt werden sollen. Erfindungsgemäß ist bei der Schaltungsanordnung zur Impedanzkompensation mit mindestens einer in einer Vakuumkammer angeordneten Elektrode, die mittels einer Leitung oder eines Leitungssystems zur Leistungseinkopplung und Erzeugung von Niederdruckgasentladungen an einen HF-Generator angeschlossen ist, an jedem Leistungseinspeisungspunkt jeweils ein Zwei- oder Vierpol angeschlossen. Wobei ein Pol bei einem Zweipol oder an zwei Polen eines Vierpols Erdpotential angelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Impedanzkompensation, die an Vorrichtungen zur plas­ magestützten Oberflächenbearbeitung in Vakuumkammern eingesetzt werden kann. Dabei erfolgt die Ober­ flächenbehandlung durch Erzeugung von Niederdruckgas­ entladungen auch an relativ großformatigen Elektro­ denflächen unter Verwendung einer Hochfrequenzspan­ nung bis in den Bereich von 100 MHz.

Die Erfindung kann günstig zur Ausbildung von dünnen Schichten durch Plasma-CVD-Verfahren, durch Plasma­ zerstäubung oder auch beim Plasmaätzen eingesetzt werden. Sie ist u. a. für die Erzeugung von Silicium­ schichten geeignet, da im oberen Frequenzbereich eine deutliche Erhöhung der Abscheiderate erreichbar ist. So können mit erhöhter Produktivität auch großflächi­ ge Substrate beschichtet und beispielsweise Solarzel­ len mit großen Flächen im Bereich von ca. 0,5 m² und größer kostengünstiger hergestellt werden.

Bekanntermaßen erfordern entsprechend größere Elek­ trodenflächen und die gewünschten hohen Bearbeitungs­ geschwindigkeiten auch große Leistungsdichten. Demzu­ folge wirkt sich auch die Impedanz der Elektroden und des gezündeten Plasmas, das im wesentlichen kapazitiv und niederohmig ist, durch größere Blindströme und entsprechende Leistungsverluste aus. Außerdem können durch reflexionsbedingte Ausbildung von stehenden Wellen in einer Leitung oder einem Leitungssystem zwischen Elektrode und Hochfrequenz-Generator zu ei­ ner unerwünschten Verringerung der elektrischen Span­ nung führen, die an der Elektrodenoberfläche an einem oder mehreren Leistungseinspeisepunkten anliegt. Nicht in jedem Fall kann gesichert werden, dass die zur Plasmaerzeugung erforderliche Niederdruckgasent­ ladung gezündet wird.

Die Leistungseinkopplung in die Leitung oder ein Lei­ tungssystem wird demzufolge durch die reflexionsbe­ dingt ausgebildete stehende Welle und das jeweilige Plasma beeinflusst.

Lösungsansätze für dieses Problem sind beispielsweise in DE 39 23 661 A1 gegeben worden, wobei es sich dort um eine Variante einer ansonsten üblicherweise ver­ wendeten Anpassungseinheit (Matchbox) handelt.

In DE 41 12 590 A1 wird die Verwendung eines zusätz­ lichen Abzweigekabels, das an ein Leistungsversor­ gungskabel für eine Elektrode angeschlossen ist, vor­ geschlagen, um den Widerstandsanteil der Plasmaimpe­ danz zu kompensieren.

Mit diesen bekannten Möglichkeiten kann der gewünsch­ te Effekt jedoch nur unbefriedigend erreicht werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der die Plasmaimpedanz effektiv, einfach und kostengünstig kompensiert werden kann, um Leistungsverluste zu vermeiden und eine ausreichend hohe Spannung zur Zündung von Niederdruckgasentladun­ gen an Elektroden in Vakuumkammern zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs­ formen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Impe­ danzkompensation baut auf bekannte Lösungen zur plas­ magestützten Oberflächenbearbeitung von verschieden­ sten Substraten im Vakuum auf. Dabei ist eine oder auch mehrere Elektroden über eine Leitung oder ein Leitungssystem an einen außerhalb der Vakuumkammer angeordneten HF-Generator angeschlossen. Mit einem solchen Generator können Frequenzen auch im MHz-Be­ reich, bis hin zu ca. 100 MHz erzeugt und für die Zündung von Niederdruckgasentladungen, mit denen das Plasma erzeugt werden kann, zur Verfügung gestellt werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann an ei­ ner einzigen in einer Vakuumkammer angeordneten Elek­ trode, aber auch an mehreren in einer oder auch in voneinander getrennten Vakuumkammern angeordneten Elektroden eingesetzt werden.

Der Anschluss der Hochfrequenzspannung kann an einem Leistungseinspeisungspunkt, vorteilhafter jedoch an mehreren Leistungseinspeisepunkten, die möglichst gleichmäßig an der Rückseite oder den Rändern einer Elektrode angeordnet sind, erfolgen.

Erfindungsgemäß wird an jeden Leistungseinspeisungs­ punkt, zumindest jedoch in unmittelbarer Nähe eines solchen Leistungseinspeisungspunktes ein zusätzlicher Zwei- oder Vierpol angeschlossen, dessen jeweilig anderen Pole an ein Erdpotential angeschlossen sind. Die Anschlüsse für das Erdpotential können eine übli­ cherweise verwendete Abschirmung für die Elektro­ de(n), aber auch die Kammerwandung der Vakuumkammer sein.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß zu verwendenden Zwei- oder Vierpole kann in weiten Grenzen die wirkende Impedanz kompensiert, und demzufolge die Leistungs­ verluste deutlich reduziert werden.

Die Zwei- oder Vierpole können ausschließlich induk­ tive Elemente, beispielsweise Spulen sein.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Zwei- oder Vierpole als Kombination eines kapazitiven und eines induktiven Elementes einzusetzen.

Für eine Einflussnahme auf unterschiedliche Verfah­ rensführungen und insbesondere unterschiedliche Plas­ mabedingungen, die das variabele kapazitive Verhalten des Plasmas berücksichtigen, ist es günstig, ein­ stellbare induktive und/oder kapazitive Elemente zu verwenden, deren Induktivität bzw. Kapazität die rea­ len Verhältnisse berücksichtigend eingestellt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann zwischen HF-Generator und Leistungseinspeisungs­ punkt(en) auch eine herkömmliche Anpassungseinheit zusätzlich in die Leitung bzw. ein gegebenenfalls verwendetes Leitungssystem geschaltet sein, mit der eine geregelte Anpassung an unterschiedliche Plasma­ bedingungen, die sich elektrisch auswirken, zusätz­ lich erreichbar ist.

Durch die reflexionsbedingt auftretende stehende Wel­ le, die über die jeweilige Leitungslänge zu entspre­ chend lokal verteilten Stromstärke- und Spannungsma­ xima führt, kann durch entsprechende Gestaltung und Dimensionierung der Leitungen bzw. des Leitungs­ systems berücksichtigt werden. So können der Lei­ tungsquerschnitt und/oder die Anzahl paralleler Lei­ tungen in Bereichen mit hohen Stromstärken und grö­ ßeren elektrische Spannungen zur Vermeidung von Lei­ stungsverlusten, Zerstörungen der Leitung durch Über­ hitzung und Kurzschlüssen variiert und temperaturbe­ ständigere Isolatoren eingesetzt werden. Die Isolato­ ren können gleichzeitig Abstandshalter an Koaxiallei­ tern darstellen und zusätzlich eine Stabilisierung bewirken. Eine entsprechende Anpassung des Leitungs­ querschnittes bzw. der geometrischen Kontur des ver­ wendeten Leiters sollte auch in Krümmungs- bzw. Knickbereichen, in denen eine Richtungsänderung der Leitungsführung erforderlich ist, vorgenommen werden.

Für die Leitung bzw. ein Leitungssystem können die unterschiedlichsten elektrisch leitenden Materialien, beispielsweise Aluminium oder Stahl verwendet werden, wobei in jedem Fall eine koaxiale Anordnung von Lei­ tern verwendet werden sollte.

Da es trotz der zusätzlichen Maßnahmen an den Leitern bzw. dem Leitungssystem zu erhöhten Temperaturen kom­ men kann, sollte zumindest in den kritischen Teilen bereichsweise eine Kühlung, bevorzugt zumindest in­ nerhalb der Vakuumkammer eine Wasserkühlung einge­ setzt werden.

Die Länge der Leitung bzw. des Leitungssystems zwi­ schen HF-Generator und Leistungseinspeisepunkt(en) sollte unter Berücksichtigung der erfindungsgemäß zu verwendenden Zwei- oder Vierpole außerdem berücksich­ tigen, dass die reflexionsbedingt auftretende stehen­ de Welle an den Leistungseinspeisepunkten und demzu­ folge auch an der Elektrodenoberfläche einen für die Zündung einer Niederdruckgasentladung erforderlichen Spannungswert gewährleistet, so dass Fehlzündungen vermieden werden können.

Die für die Zwei- oder Vierpole verwendeten indukti­ ven und kapazitiven Elemente sollten den Verhältnis­ sen in Vakuumkammern gerecht werden, d. h. sie sollten sowohl vakuumtauglich, gegen die eingesetzten Pro­ zessgase resistent und auch ausreichend wärmebestän­ dig sein.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die gewünschte Impedanzkompensation zwischen Elektro­ de und HF-Generator unabhängig von den Elektrodenflä­ chen erreicht und die von der Elektrode mit Plasma reflektierte elektrische Leistung verringert werden.

Außerdem können die Stromstärke- und Spannungserhö­ hungen an der Leitung bzw. dem Leitungssystem gegen­ über der am Generatorausgang anliegenden Stromstärke und Spannung zumindest halbiert werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung an einer in einer Vakuumkam­ mer angeordneten Elektrode mit vier Leistungseinspeisepunkten;

Fig. 2 ein Querschnitt durch ein koaxiales Rund­ leitersystem und

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein koaxiales Rechteckleitersystem.

In der Fig. 1 ist schematisch der wesentliche Teil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, an einem Beispiel für eine in einer Vakuumkammer 6 angeordnete Elektrode 1 gezeigt. Die Elektrode 1 ist über ein Leitungssystem 2 an einen nicht dargestellten HF-Ge­ nerator, der eine Frequenz von 40,68 MHz liefert, angeschlossen.

Das Leitungssystem 2 verbindet die Elektrode 1 an, bei diesem Beispiel, vier Leistungseinspeisepunkten 3, die sich direkt, zumindest jedoch in unmittelbarer Nähe der Elektrode 1 befinden. An die vier Leistungs­ einspeisepunkte 3 ist ein Pol eines bei diesem Bei­ spiel verwendeten Zweipoles 4, der hier als indukti­ ves Element mit einer Induktivität von 121 nH einge­ setzt worden ist, verbunden. Der andere Pol des Zwei­ poles 4 ist hier an eine Abschirmung 5 der Elektrode 1 angeschlossen und demzufolge, wie auch die Abschir­ mung 5 auf Erdpotential gelegt. Der Erdpotentialan­ schluss könnte aber auch über die Kammerwandung der Vakuumkammer 6 erfolgen.

Werden für einen Zwei- oder Vierpol 4 in nicht darge­ stellter Form zusätzlich auch kapazitive Elemente verwendet, können die kapazitiven Elemente sowohl in Reihe, wie auch parallel zu den induktiven Elementen geschaltet sein, so dass jeweils ein Zwei- oder entsprechend ein Vierpol gebildet werden kann.

Bei einem Vierpol kann in einem Zweig eine Kombina­ tion kapazitives Element und im anderen Zweig ein kapazitives oder ein induktives Element allein einge­ setzt werden.

Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung er­ wähnt, können die eingesetzten induktiven und auch die kapazitiven Elemente entsprechend einstellbar sein, wobei in der Regel die entsprechende Einstel­ lung wohl manuell erfolgen wird. Es ist aber auch eine selbsttätige Regelung der jeweils günstigsten Kapazitäten und Induktivitäten mit zusätzlichen Schaltungselementen denkbar.

In den Fig. 2 und 3 sind Beispiele für koaxiale Leitersysteme mit unterschiedlichen Geometrien ge­ zeigt.

Der koaxiale Aufbau, der konsequent durchgehalten wird, sichert eine gute elektrische Abschirmung nach außen. Zwischen dem inneren und äußeren Leiter bildet ein vorgegebener Abstand das Dielektrikum, das je nachdem entweder Luft oder auch das erzeugte Vakuum innerhalb der Vakuumkammer sein kann. Die Fixierung und der Abstand zwischen Innen- und Außenleiter kann durch keramische Stützelemente, die auch in Abständen voneinander angeordnet werden können, erreicht wer­ den. Dabei sollte das jeweils verwendete Keramikmate­ rial einen ausreichend hohen Widerstand aufweisen und demzufolge im ausreichenden Maße durchschlagsfest sein.

Um bei Erwärmung auftretende Wärmeausdehnungen zu berücksichtigen, können in ebenfalls nicht darge­ stellter Form flexible Konstruktionen der Leitungen eingesetzt werden. Es ist eine Anpassung an die un­ terschiedlichsten Elektroden, bezüglich deren Anord­ nung in der Vakuumkammer, der Elektrodengröße und auch der Anzahl mehrerer Elektroden ohne weiteres möglich, da Richtungsänderungen auch mit 90° Winkeln erreicht werden können. Außerdem können Verzweigun­ gen, z. B. für die Mehrfacheinspeisung an Elektroden ohne weiteres realisiert werden. So können solche Leitersysteme an einfache oder doppelte Parallelplat­ tenreaktoren, Koaxialreaktoren und auch bei Reaktoren mit Zwischenrezipienten eingesetzt werden.

Es ist ohne weiteres möglich, die Phasenlage der Stromstärke- und Spannungsmaxima, der reflexionsbe­ dingt auftretenden stehenden Welle entlang der Länge eines verwendeten Leitungssystems 2 zu berücksichti­ gen, wobei der Querschnitt zumindest des innenliegen­ den Leiters, die lokale Anordnung von Stromstärkema­ xima berücksichtigend, vergrößert werden kann.

Neben der Variation der Querschnitte von Innen- und/- oder Außenleiter kann auch der Wellenwiderstand der Leitung durch bereichsweise Veränderung des Abstandes zwischen Innen- und Außenleiter oder spiralförmige Wendelung des Innenleiters variiert und so die Größe und Lage von Stromstärke- und Spannungsmaxima gezielt beeinflusst bzw. verringert werden.

Selbstverständlich sollten auch die Querschnitte von Innen- und Außenleiter den spezifischen Widerstand des verwendeten Leitermaterials berücksichtigend, gewählt werden.

Claims (12)

1. Schaltungsanordnung zur Impedanzkompensation mit mindestens einer in einer Vakuumkammer (6) an­ geordneten Elektrode (1), die mittels einer Lei­ tung (2) oder eines Leitungssystems zur Leistungseinkopplung und Erzeugung von Nieder­ druckgasentladungen an einen HF-Generator ange­ schlossen ist und an jedem Leistungseinspei­ sungspunkt (3), an der/den Elektrode(n) (1) je­ weils ein Zwei- oder Vierpol (4) angeschlossen ist, an dessen einem Pol bei einem Zweipol oder an zwei Polen eines Vierpoles Erdpotential ange­ legt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwei- oder Vierpol (4) ein induktives Element ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass der Zwei- oder Vier­ pol (4) ein induktives und ein kapazitives Ele­ ment aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass induktives und/oder kapazitives Element (4) einstellbar sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwei- oder Vierpol (4) an eine auf Erdpotential lie­ gende Abschirmung (5) für die Elektrode (1) an­ geschlossen ist/sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Leistungseinspeisungspunkt(en) (3) und HF-Gene­ rator eine Anpassungseinheit in die Leitung (2) oder das Leitungssystem geschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung oder das Leitungssystem (2), unter Berücksichti­ gung der infolge Reflexion ausgebildeten stehen­ den Welle lokal unterschiedlichen Stromstärke- und Spannungsmaxima über die jeweilige Leitungs­ länge sowie infolge großer Elektrodenflächen niedrigen Spannungen an der/den Elektrodenober­ fläche(n) angepasst dimensioniert ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lei­ tungssystem (2) zur Leistungseinspeisung paral­ lel an mindestens zwei Positionen einer Elektro­ de (1) angeschlossen ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lei­ tungssystem (2) zur Leistungseinspeisung paral­ lel an mindestens zwei Elektroden (1), die in voneinander getrennten Vakuumkammern (6) ange­ ordnet sind, angeschlossen ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung oder das Leitungssystem (2) aus Koaxialkabel oder starren plasmaprozeßtauglichen Rechteck- oder Rundkoaxialleitern gebildet ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenwider­ stand der Leitung (2) bereichsweise zur Beein­ flussung der Größe und der lokalen Lage von Stromstärke- und Spannungsmaxima angepasst ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung oder das Leitungssystem (2) zumindest bereichs­ weise gekühlt ist.