DE102004012848A1

DE102004012848A1 - Vorrichtung zum Plasmaätzen von Bauteilen mit hoher Abtragsrate

Info

Publication number: DE102004012848A1
Application number: DE200410012848
Authority: DE
Inventors: Henry Dr. Morgner; Christoph Dr. Metzner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum reaktiven oder nichtreaktiven Plasmaätzen von einem oder mehreren Bauteilen, bestehend aus mindestens zwei in einer Ebene nebeneinander angeordneten Einheiten (100A; 100B), wobei jede Einheit mindestens eine Plasmaquelle aufweist, welche mindestens eine Hohlkatode (105) mit zugehöriger Anode (109), Stromversorgungseinrichtung (108) und Magneteinrichtung umfasst, wobei die Magneteinrichtung mindestens zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Polschuhe (103; 104) umfasst, mit welchen ein inhomogenes Magnetfeld (101) erzeugbar ist; DOLLAR A wobei die Hohlkatode (105) unmittelbar außerhalb oder im Randbereich des Magnetfeldes (101) im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet ist und die Anode (109) im Bereich des stärkeren Magnetfeldes angeordnet ist, wobei die Hohlkatode (105) im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes (101) ausgerichtet ist; DOLLAR A wobei die mindestens zwei Einheiten (100A; 100B) derart ausgerichtet sind, dass die Seiten der Einheiten (100A; 100B) mit dem schwächeren Magnetfeld einander zugewandt sind und zwischen den Einheiten (100A; 100B) ein Raum verbleibt, so dass sich am Übergang einer Einheit (110A) zu einer angrenzenden Einheit (100B) zwischen dem magnetischen Südpol einer Einheit und dem magnetischen Nordpol der angrenzenden Einheit ein Magnetfeld ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die sowohl zum nichtreaktiven als auch reaktiven Plasmaätzen flächenbehafteter Bauteile mit hoher Abtragsrate im Vakuum geeignet ist. Die abzutragenden Schichten eines Bauteils sind vorzugsweise aus Metall. Es können jedoch auch elektrisch leitfähige Beschichtungen oder dünne nicht leitfähige Schichten auf einer elektrisch leitfähigen Unterschicht oder auf elektrisch leitfähigen Substraten abgetragen werden, wobei vorbeschichtete Substrate auch aus Kunststoff, Glas, Metall oder anderen Materialien sein können.
Typische Anwendungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind das Abtragen von Schichten zum Erzeugen reiner Oberflächen, meist um für eine nachfolgende Beschichtung günstige Bedingungen zum Aufbau eines Haftverbundes der aufzutragenden Schicht zu erzeugen. Die Nutzung der Vorrichtung bietet sich auf Grund der hohen Abtragsraten auch zum Entschichten von ebenen oder konvex geformten Bauteilen an.

Es ist allgemein bekannt, dass der Beschuss von Festkörperoberflächen mit Atomen oder Ionen geeigneter Masse und Energie zum Abtrag eines Festkörpermaterials durch Zerstäubung (auch Sputtern genannt) führt. Sowohl das Bombardieren der Festkörperoberfläche mit einem Ionenstrahl wie auch das Extrahieren von Ionen aus einem Plasma und deren Beschleunigung zur Festkörperoberfläche führen zum Sputterabtrag. Die positiven Ionen können entweder durch Extraktion aus einem Plasma, unabhängig von der Art dessen Generierung (DC, HF, MW, Arc, Laser) und Beschleunigung durch ein gegenüber dem Plasmapotential negatives Biaspotential oder durch Nutzung des negativen Potentials einer Katode in einer DC-Entladung sowie durch Nutzung des sich in einer HF-Entladung mit unsymmetrischer Elektrodenanordnung einstellenden negativen Potentials an der kleineren Elektrode erzeugt werden. Für die Höhe der spezifischen Ätzabtragsleistung ist neben der Beschleunigungsspannung der Ionen (i.d.R. die Biasspannung) vor allem die extrahierbare Ionenstromdichte, die sich nahezu proportional zur Ladungsträgerdichte im Plasma verhält, verantwortlich. Für Beschleunigungsspannungen deutlich oberhalb der Sputtergrenze, d.h. oberhalb von 100 V, verhält sich die spezifische Sputterrate nahezu proportional zur spezifischen Sputterleistung, dem Produkt aus Beschleunigungsspannung und Ionenstromdichte. Das Erzeugen von Plasmen, auch mit hoher Ladungsträgerdichte, ist für kleine Oberflächen bzw. für Bauteile mit kleinem Volumen in vielfältiger Weise möglich.

Problematisch ist jedoch die Kombination von großen Flächen bzw. Volumen mit Plasmen hoher Dichte.

Die einfachste bekannte technische Lösung zum Plasmaätzen von Metallsubstraten ist eine DC-Diodenzerstäubungsanordnung. Als Vorteil dieser Einrichtung gilt die verhältnismäßig gute Aufskalierbarkeit des Prozesses auf große Substratflächen. Typische Ionenstromdichten unterhalb von 1 mA/cm² begrenzen jedoch die Ätzabtragsgeschwindigkeit für Metalle auf einige zehn nm/min.

Hochfrequenzbetriebene inverse Sputterätzer nutzen eine unsymmetrische Elektrodenanordnung in Verbindung mit einer kapazitiven HF-Einkopplung. Typischerweise ist eine großflächige Elektrode topfförmig ausgeführt und das abzuätzende Substrat wird oftmals als kleinflächige Elektrode geschaltet. Die kleinflächige Elektrode stellt sich auf ein gegenüber dem Plasmapotential negatives Potential ein, wobei Biasspannungen von 1000 V erreicht werden können. Diese kleinflächige Elektrode kann auch als Fenster ausgebildet sein, an dem ebene Substrate mit geringem Dunkelraumabstand vorbeibewegt werden. Zur Ätzbehandlung von Substraten mit gebogenen Oberflächen, die sich nicht mit einem gleichmäßigen Dunkelraumabstand an die Gegenelektrode anpassen lassen bzw. daran vorbeiführen lassen, ist die Verwendung eines inversen Sputterätzers mit Gitterelektrode möglich. Durch die Gitterelektrode wirkt der inverse Sputterätzer als Ionenquelle. Eine derartige Anordnung ist aus DE 37 08 717 A1 bekannt.

Die mit dem inversen Sputterätzer extrahierbaren Ionenstromdichten belaufen sich auf 0,5 bis 1 mA/cm², bei Konfigurationen mit magnetischer Verstärkung des Plasmas bis auf 2 mA/cm². Die maximale Größe der Ätzfläche ist auf etwa 1000 cm² beschränkt, da die Impedanzanpassung und die Kompensation der Blindströme, die infolge der unvermeidbaren baugrößenabhängigen parasitären Kapazität entstehen, für größere Baueinheiten technisch nicht mehr beherrschbar sind. Die erzielbaren Abtragsraten auf Metallsubstraten bewegen sich entsprechend in einem Bereich von 60 bis 200 nm/min.

Sämtliche genannten Beispiele zielen auf ein flächenförmig ausgedehntes Plasma ab. Bei der Behandlung voluminöser Substrate oder Bauteile resultiert daraus der Nachteil, dass nie die gesamte Oberfläche gleichzeitig dem Plasma ausgesetzt werden kann. Für die ökonomische Durchführung von Entschichtungsprozessen ist die erreichbare Abtragsrate wesentlich zu gering.

Es ist bekannt, zur Erzeugung eines volumenfüllenden Plasmas zur Behandlung von Substraten eine Einrichtung mit Diodenanordnung zu verwenden, in der eine Elektrode magnetisch verstärkt ausgeführt ist und die zweite Elektrode vom abzuätzenden Substrat gebildet wird ( DE 195 46 826 C1 ). Das zu behandelnde Bauteil oder ein mit Bauteilen bestückter Drehkorb wird als aktive Elektrode in die Gasentladungsstrecke einbezogen, welche mit einer bipolar gepulsten Mittelfrequenzspannung betrieben wird. Die Ätzwirkung entsteht in Zeitphasen mit negativer Polarität am Bauteil. Die erzielten Abtragsraten liegen im Bereich von 1 bis 10 nm/min je nach konkreter Konfiguration und Ätzaufgabe, was für eine wirtschaftliche Entschichtung ebenfalls zu gering ist.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Plasmaätzeinrichtung zu schaffen, welche in einem ausgedehnten Volumen ein weitgehend gleichmäßiges und dichtes Plasma erzeugt, womit die gesamte Oberfläche von Bauteilen gleichzeitig einem Ätzprozess unterzogen werden kann. Die damit erreichbaren Sputterabtragsraten sollen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erhöht werden, ohne Abstriche an der Qualität der behandelten Oberfläche machen zu müssen. Die Extraktion hoher Ionenstromdichten auf großen Flächen soll hierbei nicht mit dem Mechanismus der Generierung des Plasmas verkoppelt sein, wie es immer dann gegeben ist, wenn ein Bauteil selbst als Katode verwendet wird. Eine hohe verfügbare Ionenstromdichte soll es ermöglichen, hohe Sputterleistungen mit verhältnismäßig niedrigen Beschleunigungsspannungen zu erreichen. Die Sputterabtragsraten, die bei einem nichtreaktiven Prozess erreicht werden, sollen bei einer Beschleunigungsspannung von höchstens 300 V zwischen 0,1 und 5 μm/min betragen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß besteht eine Vorrichtung zum reaktiven oder nichtreaktiven Plasmaätzen von einem oder mehreren Bauteilen aus mindestens zwei Einheiten, wobei jede Einheit mindestens eine Plasmaquelle aufweist, welche mindestens eine Hohlkatode mit zugehöriger Anode, Stromversorgungseinrichtung und Magneteinrichtung umfasst, wobei die Magneteinrichtung mindestens zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Polschuhe umfasst, mit welchen ein inhomogenes Magnetfeld erzeugbar ist; wobei die Hohlkatode unmittelbar außerhalb oder im Randbereich des Magnetfeldes im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet ist und die Anode im Bereich des stärkeren Magnetfeldes angeordnet ist, wobei die Hohlkatode im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes ausgerichtet ist und die mindestens zwei Einheiten derart ausgerichtet sind, dass die Seiten der Einheiten mit dem schwächeren Magnetfeld einander zugewandt sind und zwischen den Einheiten ein Raum verbleibt, so dass sich am Übergang einer Einheit zu einer angrenzenden Einheit zwischen dem magnetischen Südpol einer Einheit und dem magnetischen Nordpol der angrenzenden Einheit ein Magnetfeld ausbildet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zunächst eine an sich bekannte Vakuumanlage und enthält Mittel zur Aufnahme von einem oder mehreren Bauteilen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert weiter ein Zusammenwirken von mindestens zwei Einheiten zur Plasmaerzeugung. Dabei kann eine Einheit mehrere Plasmaquellen umfassen, wobei jede für sich geeignet ist, ein dichtes Plasma in einem Flächenbereich zu erzeugen, ohne jedoch ein nennenswertes Volumen mit einem dichten Plasma füllen zu können. Eine Plasmaquelle umfasst dabei im Wesentlichen eine Hohlkatode mit zugehöriger Anode, Magneteinrichtung und Stromversorgungseinrichtung. Im Minimalfall besteht eine Einheit aus einer Plasmaquelle.

Die Abmessungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt, der Anzahl der nebeneinander innerhalb einer Ebene angeordneten Einheiten und der Anzahl der senkrecht zu dieser Ebene angeordneten Plasmaquellen innerhalb der Einheiten. Zum Erläutern und Veranschaulichen des Erfindungsgedanken sind in der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung die Einheiten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung jeweils horizontal nebeneinander angeordnet, so dass Plasmaquellen innerhalb einer Einheit vertikal übereinander angeordnet sind. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausrichtung begrenzt. Vielmehr kann jede in der Erfindungsbeschreibung veranschaulichte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Ganzes um eine beliebige Achse und um einen beliebigen Winkel gedreht angeordnet sein.

Umfasst eine Einheit mehrere Plasmaquellen, können die Magneteinrichtungen der einzelnen Plasmaquellen zusammengefasst als eine einzige Magneteinrichtung ausgebildet werden, so dass sich ein magnetischer Nordpolschuh und ein magnetischer Südpolschuh über alle Plasmaquellen einer Einheit hinweg erstreckt. Sind die beiden Polschuhe vertikal ausgerichtet und die Plasmaquellen somit übereinanderliegend angeordnet, bedeutet dies, dass die Hohlkatoden der einzelnen Plasmaquellen vertikal gereiht an einem Polschuh oder verteilt an beiden Polschuhen angeordnet sind. Die Ausrichtung der einzelnen Hohlkatoden ist dabei jeweils horizontal.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der einzelnen Einheiten und der Plasmaquellen innerhalb einer Einheit kommt es zu einer Überlagerung und Deformierung der einzelnen Bereiche flächig ausgedehnten Plasmas, sogenannter Plasmaschilde, der einzelnen Plasmaquellen bzw. Einheiten, was zur Ausbildung eines größeren plasmaerfüllten Volumens (nachfolgend auch Volumenplasma genannt) führt, wobei im gesamten Volumenplasma eine hohe Ladungsträgerdichte erreicht wird.

Die magnetfelderzeugende Einrichtung einer Einheit erzeugt ein inhomogenes Magnetfeld, dessen Feldstärke mit wachsendem Abstand zum Bereich des Volumenplasmas zunimmt. Eine oder mehrere Hohlkatoden (je nach Anzahl der Plasmaquellen einer Einheit) sind seitlich außerhalb des Magnetfeldes im Bereich des größeren Polschuhabstandes und damit im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet. Das magnetische Feld wird durch eine entsprechende Ausgestaltung der magnetfelderzeugenden Einrichtung bis dicht an die Katodenöffnung einer jeweiligen Hohlkatode herangeführt. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, indem ein Polschuh eine Durchbruchsöffnung aufweist, durch die hindurch eine Hohlkatode gerichtet ist.

Der typische Abstand zwischen den Polschuhen einer Einheit im Bereich des maximalen Abstandes beider Polschuhe und damit im Bereich des schwachen Magnetfeldes beträgt 10 cm bis 50 cm und die magnetische Feldstärke beträgt in diesem Bereich 0,1 kA/m bis 50 kA/m.

Der Einschuss von LVEB-Elektronen (LVEB = low voltage electron beam = niederenergetischer Elektronenstrahl) erfolgt in jeder einzelnen Einheit annähernd parallel zur Richtung der magnetischen Feldlinien zwischen den Polschuhen einer Einheit. Dabei werden die mit einer Anfangsenergie aus einer Hohlkatode austretenden LVEB-Elektronen in engen Schraubenbahnen um die sich an die Öffnung der Hohlkatode anschließenden magnetischen Feldlinien geführt. Die Elektronen müssen zunächst dem Verlauf der magnetischen Feldlinien folgen. Die Führung der LVEB-Elektronen im longitudinalen magnetischen Feld konzentriert die LVEB-Elektronen entlang der magnetischen Feldlinien und die Ionisierungsprozesse in diesem Bereich führen zur Bildung eines Plasmaschildes hoher Dichte. Die LVEB-Elektronen verlieren durch unelastische Stoßprozesse den Großteil ihrer Energie.

Veranschaulicht man sich das ausgebildete Magnetfeld in einer horizontalen Ebene, können die nunmehr energiearmen Elektronen innerhalb dieser Ebene, senkrecht zu den Magnetfeldlinien, zur Anode driften, welche im Bereich des stärksten Magnetfeldes zwischen den Polschuhen angeordnet ist. Die Bewegung der Elektronen ist dabei an Zykloidenbahnen gebunden. Nur elastische oder unelastische Stoßprozesse ermöglichen die Fortsetzung der Elektronenbewegung auf einer jeweils näher an der Anode verlaufenden Feldlinie. Diese Ladungsträgerbewegung nahezu senkrecht zu den Magnetfeldlinien führt zum Aufbau eines inneren elektrischen Feldes im Plasma, welches wiederum zur Beschleunigung von Plasmaionen zum Plasmaschild hin führt. Deren Ablenkung im magnetischen Feld ist auf Grund der höheren Masse vernachlässigbar.

Zum anderen führt die senkrecht zu den Magnetfeldlinien verlaufende Bewegung der Elektronen im magnetischen Feld zu einer vertikalen Abdrift der Elektronen. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender magnetischer Feldstärke. Er ist also besonders stark in Anodennähe. Die vertikale Richtung der Abdrift ist dabei abhängig von der Orientierung des Magnetfeldes und des elektrischen Feldes in der horizontalen Ebene. Sind Hohlkatode und eine zugehörige Anode innerhalb einer horizontalen Ebene angeordnet, verläuft der Hauptelektronenfluss zur Anode somit nicht zum sogenannten Anodenkopf, sondern zu einer vertikalen Seitenfläche der Anode. Folglich bildet sich das Plasma auch nicht nur in einer horizontalen Ebene aus, sondern weist einen vertikalen Versatz vom Plasmaschild zur Anode hin auf.

Bei der Formgebung eines sich ausbildenden Plasmas kann dieser vertikale Versatz beeinflusst werden, indem eine Hohlkatode und eine mit dieser Hohlkatode verschaltete Anode vertikal mit einem Maß beabstandet werden.

Dieser Effekt kann auch vermindert werden, indem ein zusätzliches Magnetfeld in Anodennähe zur Kompensation des ursprünglichen Magnetfeldes ausgebildet wird. Die Feldlinien des zusätzlichen Magnetfeldes verlaufen dabei im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des ursprünglichen Magnetfeldes, weisen jedoch die entgegengesetzte Orientierung auf. Dadurch lässt sich die resultierende Gesamtmagnetfeldstärke und somit die vertikale Abdrift der Elektronen in Anodennähe verringern.

Die magnetische Feldstärke zwischen den Polschuhen einer Plasmaquelle wird bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung von einem sich ausbildenden Plasmaschild zur Anode hin stetig erhöht. In Anodennähe ergeben sich folglich die höchsten und im Plasmaschildbereich die geringsten magnetischen Feldstärken. Die um die magnetischen Feldlinien gyrierenden Elektronen verlagern ihren Ladungsschwerpunkt zunehmend in den Bereich schwächer werdender magnetischer Feldstärke. Damit führt ein weiterer Mechanismus zur Verdrängung des Plasmas zum Plasmaschild hin. Das ohnehin schon dichte Plasma im Bereich des Plasmaschildes wird durch die Beschleunigung von Ionen aus dem Volumen zwischen Plasmaschild und Anode sowie durch Elektronendrift im inhomogenen Magnetfeld noch verstärkt. Der Plasmaschild bildet sich zum einen entlang der Feldlinien, die den Nord- und Südpolschuh einer Einheit verbinden, sowie durch die Führung der LVEB-Elektronen entlang der Feldlinien, die sich zwischen den Nord- und Südpolschuhen benachbarter Einheiten ausbilden. Durch die verbindenden Magnetfeldlinien zwischen den Polschuhen benachbarter Einheiten entsteht eine volumenfüllende Durchdringung des von der ringförmigen Anordnung mehrerer Einheiten umgebenen Raumes mit Feldlinien, die Plasmaelektronen in das Volumenplasma hineinführen. Die Beschleunigung von Ionen durch die oben beschriebenen Effekte in den Bereich des Plasmaschildes einer jeweiligen Plasmaquelle wird über die verbindenden Magnetfeldlinien zwischen den Einheiten in das sich ausbildende Volumenplasma hinein fortgeführt.

Zum Aufspannen von großen Plasmavolumen können 2, 3, 4 oder mehr einzelne Einheiten kreisförmig aneinander gereiht werden, wobei stets Nord- und Südpol von jeweils benachbarten Einheiten aneinandergrenzen. Die Anzahl der Einheiten, die erfindungsgemäß derartig miteinander kombiniert werden, und somit die horizontale Ausdehnung eines Volumenplasmas sind nahezu unbegrenzt. Die Polschuhe benachbarter Einheiten werden jeweils mit 10 cm bis 30 cm beabstandet. Vertikal wird die Ausdehnung eines Volumenplasmas durch die Anzahl von Plasmaquellen einer Einheit bestimmt. Auch in dieser Hinsicht gibt es keine prinzipielle Längenbeschränkung.

Bei einer Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen optischen Sensor, welcher thermische Emissionen von der Oberfläche mindestens eines Bauteils erfasst. Damit ist es möglich mittels einer Auswerteeinrichtung sicherzustellen, dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils beim Ätzvorgang nicht überschritten wird. Alternativ oder auch gleichzeitig können mittels eines optischen Sensors auch charakteristische Emissionslinien aus dem Plasma erfasst werden, welches die Bauteiloberfläche unmittelbar umgibt, um Aufschluss über die Zusammensetzung des momentan abgetragenen Materials zu erlangen.

Bei der elektrischen Beschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Katoden einer Einheit mit den Anoden derselben Einheit oder mit den Anoden einer anderen Einheit verschaltet werden. Bei einer Beschaltung von Katoden mit den Anoden einer anderen Einheit führt der Entladungsstrom der Hohlkatoden direkt durch das Volumenplasma. Für Anordnungen, die aus einer geraden Anzahl von Einheiten bestehen, bietet sich die Beschaltung von Katoden und Anoden der jeweils spiegelbildlich gegenüberliegenden Einheiten besonders an.

Die abzuätzenden Bauteile oder Substrate werden mit geeigneten Halterungen, z.B. einer Drehkorbanordnung, ins Volumenplasma eingebracht und mit einer negativen Biasspannung im Bereich zwischen 50 V und 3000 V, vorzugsweise 50 V bis 300 V, gegenüber dem Plasmapotential beaufschlagt. Zur Minimierung von Mikro-Bogenentladungen auf der Oberfläche der Bauteile oder Substrate ist es besonders vorteilhaft, eine mittelfrequent unipolar gepulste oder auch bipolar gepulste Biasspannung zu verwenden. Als Gegenelektrode für die Biasspannung sollte je eine Anode jeder einzelnen Plasmaquelle herangezogen werden. Das elektrische Potential einer jeweiligen Anodenelektrode steht dem Plasmapotential nahe. Wird eine Anode als Gegenelektrode für die Biasspannung genutzt, sind keine nennenswerten Verschiebungen des Plasmapotentials gegenüber den Elektrodenpotentialen, auch bei Verwendung mittelftrequent gepulster Biasspannungen, zu erwarten.

Um die Bias-Spannungsversorgung mit mehreren Plasmaquellen in Verbindung zu bringen, kann der Anschluss zu den einzelnen Anoden zweckmäßigerweise über ein Widerstandsnetzwerk erfolgen. Bei der Dimensionierung der Widerstände ist zu beachten, dass zum einen die Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Anoden der Plasmaquellen gering bleiben im Vergleich zu den Entladungsströmen und dass die Spannungsverluste für die Biasströme im Vergleich zur Biasspannung gering bleiben.

Werden einzelne Werkstücke nebeneinander im Plasma angeordnet, können diese sowohl elektrisch verbunden und mit nur einer gemeinsamen Biasspannungsversorgung oder mit einzelnen Biasspannungsversorgungen betrieben werden. Das Verwenden einzelner Biasspannungsversorgungen ermöglicht eine Strombegrenzung auf kleinere Maximalströme und die kurzzeitige Austastung der Spannung von nur einer Stromversorgung im Falle von Mikro-Bogenentladungen an einer zu behandelnden Oberfläche, was bei hohen Anforderungen an die Defektfreiheit einer zu behandelnden Oberfläche von Vorteil sein kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in jedem Fall eine Trennung zwischen Stromversorgungseinrichtungen) zum Erzeugen eines Plasmas und Biasspannungs-Stromversorgungseinrichtung(en). Durch kurzzeitiges Abschalten einer Biasspannung zum Unterdrücken von Mikro-Bogenentladungen an einem Bauteil/Substrat wird die Erzeugung des Plasmas nicht berührt. Die infolge des hochdichten Plasmas extrahierbaren hohen Ionenstromdichten im Bereich von 10 mA/cm² bis 200 mA/cm² ermöglichen es, hohe Ätzabtragsraten von über 2 μm/min auch bei verhältnismäßig niedrigen Biasspannungen bis 300 V zu erreichen. Mit derartig geringen Biasspannungen verringert sich auch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Mikro-Bogenentladungen. Auch das Ausbilden von Stoßkaskaden-Spikes, welche im Ätzprozess das Aufrauen einer Oberfläche bewirken, wird durch das Verwenden derartig niedriger Biasspannungen vermieden. So ermöglicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein störungsarmes Ätzen großvolumiger Bauteile oder einer großen Anzahl von Einzelbauteilen mit hoher Abtragsrate unter Aufrechterhaltung einer glatten, fehlerfreien Oberfläche.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bestehend aus zwei Einheiten,
2 eine schematische Darstellung einer Einheit,
3 eine schematische Darstellung einer alternativen Einheit,
4 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bestehend aus drei Einheiten,
5 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bestehend aus vier Einheiten,
6 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine alternative erfindungsgemäße Vorrichtung bestehend aus vier Einheiten,
7 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entschichten von Turbinenschaufeln.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Plasmaätzen von Bauteilen, bestehend aus zwei Einheiten 100A und 100B, als horizontaler Schnitt schematisch dargestellt. Der Grundaufbau der beiden Einheiten 100A; 100B ist identisch. Ein inhomogenes Magnetfeld 101 wird mittels einer Magneteinrichtung, umfassend eine magnetische Erregerspule 102 und zwei in einem Winkel zueinander angeordnete magnetische Polschuhe 103 und 104 erzeugt. Die magnetische Feldstärke wird in dem Bereich, in welchem die Polschuhe 103 und 104 am weitesten voneinander beabstandet sind, auf etwa 5 kA/m eingestellt. Dadurch ergibt sich am anderen Ende der Polschuhe zwischen den Polschuhen 103 und 104 eine Feldstärke von etwa 25 kA/m.
Der Polschuh 104 ist im Bereich des größten Abstandes der Polschuhe 103 und 104 durchbrochen. Unmittelbar vor der Durchbruchsöffnung des Polschuhs 104, außerhalb des Magnetfeldes 101, ist eine Hohlkatode 105 in Verbindung mit einer Ringanode 106 angeordnet. Zum Zünden des Plasmas wird nur diese Ringanode 106 als Anode verwendet. Dabei wird der DC-Strom ausschließlich von einer Stromversorgungseinrichtung 107 erzeugt. Nach dem Zünden des Plasmas, d.h. die Hohlkatode 105 ist auf Emissionstemperatur aufgeheizt und brennt stabil, wird die Plasmaentladung durch Einschalten einer Stromversorgungseinrichtung 108 zur Anode 109 gezogen. Die Anode 109 ist im Bereich des geringsten Polschuhabstandes und somit des stärksten magnetischen Feldes angeordnet. Der Stromsollwert der Stromversorgungseinrichtung 108 wird etwa 10 % – 30 niedriger eingestellt als der Sollwert der Stromversorgungseinrichtung 107. Der Differenzstrom wird der Ringanode 106 zur Stabilisierung der Entladung zugeführt. Typische Entladungsströme, die zwischen Hohlkatode 105 und Anode 109 auftreten, bewegen sich in einem Bereich zwischen 50 A und 500 A.
Die Hohlkatode 105 benötigt einen geringen Durchfluss von Arbeitsgas, in der Regel wird das Edelgas Argon verwendet, zur Ausbildung des Hohlkatodeneffektes. Das durch die Hohlkatode 105 strömende Gas steht jedoch auch dem Ätzprozess zur Verfügung. Der Einlass von zusätzlichem Edel- oder Inertgas, in die nicht dargestellte Prozesskammer, zur Speisung der Gasentladung erfolgt durch Einlassbohrungen 110 in der Anode 109.
Beim Arbeitsdruck in der Prozesskammer ist zu beachten, dass dieser so niedrig wie möglich gewählt wird, um die Streuung der von der Anode 109 zum zu bearbeitenden Bauteil hin beschleunigten Ionen gering zu halten und Rückstäubungen beim Sputterätzen zu minimieren, wobei die Untergrenze durch die Stabilität der Gasentladung bestimmt wird. Im praktischen Betrieb ergibt sich ein Arbeitsdruckbereich von 0,1 Pa bis 1 Pa. Im Bereich des schwächeren magnetischen Feldes baut sich ein Plasmaschild durch die Führung der LVEB- Elektronen im longitudinalen Magnetfeld 101 auf. Dieser von der Hohlkatode 105 ausgehende Schild füllt durch Plasmadiffusion eine gewisse Breite aus.
Beide identisch ausgebildeten Einheiten 100A und 100B sind katodenseitig gegenüberstehend angeordnet, wobei der magnetische Nordpol der einen Einheit dem magnetischen Südpol der anderen Einheit nahe kommt. Die Plasmaschilde beider Einheiten 100A und 100B vereinigen sich somit und führen folglich zu einer vergrößerten effizienten Arbeitsbreite gegenüber dem Plasmaschild einer einzelnen Einheit 100A oder 100B. Die Feldlinien zwischen den magnetischen Nord- und Südpolen der gegenüberstehenden Einheiten 100A und 100B ziehen Elektronen aus dem vereinigten Plasmaschildbereich und sorgen für die Ausdehnung des Plasmas im gesamten von Einheiten 100A und 100B eingeschlossenen Volumen, wodurch ein Volumenplasma 111 entsteht. Das Volumenplasma 111 ist geeignet, an der gesamten Oberfläche eines Bauteiles 112 ein Ätzwirkung zu erzielen.
2 zeigt schematisch eine Einheit, bei welcher drei Plasmaquellen 200a; 200b; 200c, wie in 1 als Querschnitt dargestellt, übereinanderliegend angeordnet sind. Die Polschuhe der drei Plasmaquellen 200a; 200b; 200c sind dabei jeweils als durchgehende Polschuhe 203 und 204 ausgebildet. Hohlkatoden 205a; 205b; 205c und eine jeweils zugehörige Anode 209a; 209b; 209c sind vertikal durch ein Maß Z beabstandet. Das Maß Z entspricht dabei dem halben vertikalen Abstand von einer Hohlkatode zur nächsten.
Die Arbeitsbreite einer derartigen Vorrichtung kann einerseits durch Aneinanderreihung von mehreren Plasmaquellen innerhalb einer Einheit und andererseits durch das Zusammenwirken mehrerer Einheiten auf nahezu beliebige Maße erweitert werden. Der Abstand der Plasmaquellen innerhalb einer Einheit und der Abstand der Einheiten zueinander entscheiden über die Dichte und die Homogenität eines Volumenplasmas.
Mit einer derartigen Einrichtung lassen sich nicht nur gleichzeitig die beiden Seiten plattenartig ausgebildeter Bauteile ätzen, vielmehr vollzieht sich bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung der Ätzprozeß gleichzeitig auf der gesamten Oberfläche dreidimensional ausgebildeter Bauteile.
In 3 ist eine Einheit, bestehend aus sechs übereinanderliegenden Plasmaquellen schematisch dargestellt. Die Hohlkatoden 305a; 305b; 305c; 305d; 305e; 305f sind abwechselnd vertikal versetzt an Polschuhen 303 und 304 angeordnet, wodurch ein noch homogeneres Volumenplasma in vertikaler Richtung ausgebildet wird.
In den 4 und 5 ist der Aufbau erfindungsgemäßer Vorrichtungen, bestehend aus drei bzw. vier Einheiten, schematisch dargestellt. 6 zeigt einen alternativen Aufbau einer vier Einheiten umfassenden erfindungsgemäßen Vorrichtung in Bezug auf die elektrische Beschaltung von Hohlkatoden und Anoden. In den vorhergehenden 1 bis 5 wurden jeweils Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Hohlkatode(n) und zugehörige(n) Ringanode(n) einer Einheit jeweils mit der(den) Anode(n) derselben Einheit elektrisch verschaltet ist(sind). In 6 ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei welchem Hohlkatoden und zugehörige Ringanoden mit einer Anode der jeweils gegenüberliegenden Einheit elektrisch verschaltet sind. So ist beispielsweise eine Hohlkatode 605 mit zugehöriger Ringanode 606 einer Einheit 600B mit einer Anode 609 einer gegenüberliegenden Einheit 600D elektrisch verschaltet. Das dichte Plasma des Plasmaschildes jeder einzelnen Einheit 600A; 600B; 6000; 600D wird dadurch noch wirksamer und gleichmäßiger in das sich ausbildende Volumenplasma 611 gedrängt. Somit sind auch die gemäß den 4 bis 6 beschriebenen Vorrichtungen geeignet, gleichzeitig auf der gesamten Oberfläche von Bauteilen 412, 512 bzw. 612 einen Ätzabtrag zu erzielen.
Ein Anwendungsgebiet für eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist das Abtragen von heißgaskorrosionsfesten Schichten bei Turbinenschaufeln. Die abzutragenden Schichten von Turbinenschaufeln bestehen typischerweise aus einer Ni/Co-Legierung mit Bestandteilen von Cr, Al, Y und weiteren Elementen. Als Grundmaterial findet oftmals ein nickelhaltiges, Superlegierung genanntes Material Verwendung. Derartige Heißgaskorrosionsschutzschichten besitzen eine typische Dicke von 0,1 bis 0,5 mm. Die Nutzungsdauer der Turbinenschaufeln wird durch den Verschleiß einer Heißgaskorrosionsschutzschicht begrenzt. Es besteht folglich ein wirtschaftliches Interesse an der Regenerierung verschlissener Turbinenschaufeln. Vor dem Neubeschichten verschlissener Turbinenschaufeln mit einer Heißgaskorrosionsschutzschicht, entweder durch Plasmaspritzen oder durch eine PVD-Beschichtung, muss die alte Schicht vollständig entfernt werden.
Bisher wurden dafür nasschemische Abätzverfahren verwendet. Üblicherweise erfolgt die Schichtablösung unter Verwendung von Salpetersäure und Flußsäurebädern. Typische Entschichtungszeiten für 300 bis 400 μm dicke Heißgaskorrosionsschutzschichten sind 15 h bis 40 h. Ein derartiger Prozess ist nicht steuerbar und die gewünschte vollständige Entfernung der Schichten wird nur schlecht erreicht. Darüber hinaus sind die Chemikalien regelmäßig zu entsorgen. Der hohe Umsatz von aggressiven Chemikalien führt zwangsläufig zu einer hohen Umweltbelastung.
7 zeigt als horizontalen Schnitt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit welcher heißgaskorrosionsfeste Schichten von Turbinenschaufeln 720 mittels Plasmaätzen abgetragen werden. Die Vorrichtung gemäß 7 besteht aus drei identischen Einheiten 700A; 700B; 7000, welche jeweils drei vertikal übereinander angeordnete Plasmaquellen umfassen. Dementsprechend zeigt die horizontale Schnittdarstellung nur jeweils eine Plasmaquelle der Einheiten 700A; 700B; 7000. Durch die erfindungsgemäße Anordnung schließen die drei Einheiten katodenseitig ein vertikal und horizontal ausgedehntes Volumenplasma 711 mit hoher Dichte ein.
Eine Anzahl von Turbinenschaufeln 720 ist kreisförmig nebeneinander in einem im Volumenplasma 711 befindlichen Drehkorb 721 angeordnet. Zum Gewährleisten eines gleichmäßigen Ätzabtrages während des Entschichtungsprozesses rotiert sowohl der Drehkorb 720 um seine Achse als auch jede einzelne Turbinenschaufel 720. Je nach Höhe der Turbinenschaufeln 720 können diese innerhalb des Drehkorbes 721 in mehreren horizontalen Ebenen übereinander angeordnet werden. Die Anordnung der Einheiten 700A; 700B; 7000 und das dadurch ausgebildete Volumenplasma 711 gewährleisten ein gleichzeitiges Ätzen der gesamten Oberfläche aller im Volumenplasma 711 angeordneten und bewegten Turbinenschaufeln 720 mit einer Ätzrate von 2 bis 5 μm/min. Die Turbinenschaufeln 720 sind elektrisch miteinander verbunden jedoch gegenüber dem Drehkorb 721 elektrisch isolierend aufgehängt. Die Bias-Spannungsversorgung erfolgt für sämtliche Turbinenschaufeln 720 gemeinsam mittels einer Stromversorgungseinrichtung 722. Um die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Mikro-Bogenentladungen drastisch zu reduzieren, wird zur Bias-Spannungsversorgung eine unipolar gepulste Gleichspannung von 300 V mit einer Umlauffrequenz von 40 kHz und einem Verhältnis von Puls zu Pulspause von 80 % zu 20 % verwendet.
Das Ankoppeln der Biasspannung erfolgt über ein Widerstandsnetzwerk 718 zu den Anoden 709 der Einheiten 700A; 700B; 7000. Über eine seitlich zwischen den Einheiten 700B und 7000 angeordnete Einrichtung 723, umfassend mehrere Kollimatoren und ein optisches Leitsystem, wird jede mit Turbinenschaufeln bestückte horizontale Ebene im Drehkorb überwacht. Das Erfassen der optischen Signale erfolgt durch Synchronisieren der Messwerterfassung mit der aktuellen Drehposition des Drehkorbes 721. Sobald sich eine Turbinenschaufel 720 im Bereich der Sichtlinie 724 eines Kollimators befindet, erfolgt das Erfassen der optischen Emission. Sowohl die thermische Emission von der Oberfläche einer Turbinenschaufel 720 wie auch die Emission charakteristischer Linien aus dem die Turbinen schaufel 720 unmittelbar umgebenden Plasma werden gemeinsam über einen Lichtkanal aus dem Plasma herausgeführt und in einer nachfolgenden Einrichtung 725 durch Filter separiert. Ausgewählte charakteristische Emissionslinien aus dem Plasma geben Auskunft über die Zusammensetzung des abgetragenen Materials, und aus dem thermischen Emissionsspektrum von der Oberfläche der Turbinenschaufel wird die Oberflächentemperatur bestimmt. Mit diesen Daten lässt sich ein Wechsel in der Zusammensetzung des abgetragenen Materials und damit der Übergang vom Schichtmaterial in das Grundmaterial der Turbinenschaufeln 720 erkennen. Die Kontrolle der Oberflächentemperatur stellt sicher, dass zu keinem Zeitpunkt die maximal erlaubte Temperaturbelastung der Turbinenschaufeln 720 unbeabsichtigt überschritten wird.

Claims

Vorrichtung zum reaktiven oder nichtreaktiven Plasmaätzen von einem oder mehreren Bauteilen, bestehend aus mindestens zwei in einer Ebene nebeneinander angeordneten Einheiten (100A; 100B), wobei jede Einheit mindestens eine Plasmaquelle aufweist, welche mindestens eine Hohlkatode (105) mit zugehöriger Anode (109), Stromversorgungseinrichtung (108) und Magneteinrichtung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung mindestens zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Polschuhe (103; 104) umfasst, mit welchen ein inhomogenes Magnetfeld (101) erzeugbar ist; wobei die Hohlkatode (105) unmittelbar außerhalb oder im Randbereich des Magnetfeldes (101) im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet ist und die Anode (109) im Bereich des stärkeren Magnetfeldes angeordnet ist, wobei die Hohlkatode (105) im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes (101) ausgerichtet ist; wobei die mindestens zwei Einheiten (100A; 100B) derart ausgerichtet sind, dass die Seiten der Einheiten (100A; 100B) mit dem schwächeren Magnetfeld einander zugewandt sind und zwischen den Einheiten (100A; 100B) ein Raum verbleibt, so dass sich am Übergang einer Einheit (110A) zu einer angrenzenden Einheit (100B) zwischen dem magnetischen Südpol einer Einheit und dem magnetischen Nordpol der angrenzenden Einheit ein Magnetfeld ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Beschaltung zur Erzeugung eines Entladungsstromes zwischen einer Hohlkatode (105) einer Einheit (100A) und einer Anode (109) derselben Einheit (100A) ausführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Beschaltung zur Erzeugung eines Entladungsstromes zwischen einer Hohlkatode (605) einer Einheit (600B) und einer Anode (609) einer anderen Einheit (600D) ausführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vorrichtung bestehend aus einer geradzahligen Anzahl von Einheiten (600A; 600B; 6000; 600D) eine elektrische Beschaltung zur Erzeugung eines Entladungsstromes zwischen einer Hohlkatode (605) einer Einheit (600B) und einer Anode (609) einer spiegelbildlich gegenüberstehenden Einheit (600D) ausführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Edelgas, Inertgas oder Reaktivgas durch Kanäle (110) innerhalb der Anoden (109) oder durch Gaseinlässe in Nähe der Anoden (109) einlassbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einheiten, welche mehrere Plasmaquellen (200a; 200b; 200c) umfassen, die Plasmaquellen (200a; 200b; 200c) im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Einheiten übereinanderliegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtungen der Plasmaquellen (200a; 200b; 200c) einer Einheit als eine einzige Magneteinrichtung ausgebildet sind, so dass sich ein magnetischer Nordpolschuh (203) und ein magnetischer Südpolschuh (204) über alle Plasmaquellen (200a; 200b; 200c) hinweg erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden (205a; 205b; 205c) einer Einheit entlang eines Polschuhes (204) der Einheit gereiht angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden (305a; 305b; 305c; 305d; 305e; 305f) einer Einheit entlang beider Polschuhe (303; 304) der Einheit gereiht angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Stromversorgungseinrichtung (722) umfasst, mittels derer zwischen einem zu bearbeitenden Bauteil (720) und mindestens einer Anode (709) eine Vorspannung als Gleichspannung oder unipolar bzw. bipolar mittelfrequent gepulste Spannung anlegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim gleichzeitigen Bearbeiten von mehreren Bauteilen jedes Bauteil mit einer separaten Stromversorgungseinrichtung für das Erzeugen einer Vorspannung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromversorgungseinrichtung (722) für das Erzeugen einer Vorspannung über ein Widerstandsnetzwerk (718) mit mindestens einer Anode (709) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Bauteile (720) zwischen Einheiten (700A; 700B; 7000) im Bereich eines dichten Volumenplasmas (711) angeordnet sind und mittels geeigneter Trägereinrichtungen (721) drehbar und/oder schwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor für optische Signale mit Sicht auf das oberflächennahe Plasma eines Bauteils angeordnet ist, wobei bei ausgedehnten Bauteiloberflächen verschiedene Oberflächenabschnitte oder/und bei gleichzeitiger Bearbeitung mehrerer Bauteile jedes einzelne Bauteil bezüglich der Zusammensetzung des abgetragenen Materials anhand charakteristischer Emissionslinien kontrollierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor für optische Signale mit Sicht auf die Oberfläche eines Bauteils angeordnet ist, wobei bei ausgedehnten Bauteiloberflächen verschiedene Oberflächenabschnitte oder/und bei gleichzeitiger Bearbeitung mehrerer Bauteile jedes einzelne Bauteil bezüglich der Oberflächentemperatur anhand der emittierten Wärmestrahlung kontrollierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichzeitiger Bearbeitung mehrerer im Volumenplasma (711) bewegter Bauteile (720) optische Emissionssignale mittels mindestens eines starr angeordneten optischen Sensors (723) mit Kollimatoren erfassbar sind, wobei die aktuellen Emissionswerte aus dem oberflächennahen Plasma eines Bauteils und/oder von der Bauteiloberfläche mittels einer Auswerteeinrichtung (725) dem Bauteil zuordenbar sind, welches sich zu einem jeweiligen Zeitpunkt im Bereich der Sichtlinie (724) eines Kollimators befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlkatode (205a) und eine zugehörige Anode (209a) in einer senkrecht zu magnetischen und elektrischen Feldlinien verlaufenden Richtung mit einem Maß Z beabstandet sind.