DE102006002333A1

DE102006002333A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Löschen von Bogenentladungen

Info

Publication number: DE102006002333A1
Application number: DE200610002333
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Krause; Ullrich Dr. Hartung; Torsten Dr. Kopte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löschen von Bogenentladungen bei plasmaunterstützten Materialbearbeitungseinrichtungen, bei denen die Energie mittels mindestens einer Stromversorgungseinrichtung in Form eines Pulsmusters mit einer vorgegebenen Aufeinanderfolge von Pulsen und Pulspausen in ein Plasma eingespeist wird, umfassend mindestens eine Detektiereinrichtung, eine Auswerteeinrichtung und mindestens eine Steuereinrichtung, wobei mittels der Detektiereinrichtung ein Puls (3) ermittelt wird, dessen Energie das Ausbilden einer Bogenentladung bewirkt; wobei mittels der Auswerteeinrichtung aus der Anzahl und/oder dem Abstand in der Vergangenheit aufgetretener Bogenentladungen eine Zeitspanne Z ermittelt wird; wobei das Pulsmuster mittels der Steuereinrichtung derart geändert wird, dass mindestens die Dauer der dem Puls (3) unmittelbar folgenden Pulspause (4) um die Zeitspanne Z länger ist als die Dauer der Pulspause (2) unmittelbar vor dem Puls (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löschen von Bogenentladungen bei plasmaunterstützten Materialbearbeitungsprozessen, bei denen die Energie pulsförmig in ein Plasma gespeist wird.
Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Plasmen zur Anwendung kommen, dienen vorrangig der Oberflächenveredlung von Bauteilen, Werkzeugen, Halbzeugen und Fertigteilen in der Optik, im Maschinenbau, in der Verpackungs-, Glas- und Elektroindustrie. Derartige Prozesse sind beispielsweise die physikalische und plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung, das Plasmaätzen sowie das Zerstäuben nach dem Magnetronprinzip. Bei all diesen Prozessen werden Elektroden eingesetzt, zwischen denen eine Glimmentladung gezündet wird. Die Energie wird dabei in Form von Gleichspannung oder Wechselspannung dem Niederdruckprozess zugeführt.
Insbesondere beim Abscheiden von schlecht leitfähigen Schichten, wie Oxiden und Nitriden, kommt es auf Grund vielfältiger Mechanismen zum Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenentladung. Ein weiterer Grund für Bogenentladungen im Beschichtungsprozess sind erodierte und durch verschiedene Partikel auf der Targetoberfläche verunreinigte Beschichtungssysteme. Derartige Bogenentladungen führen zu Instabilitäten bei der gesamten Prozessführung wie auch zu lokalen Zerstörungen an den betreffenden Oberflächen der Elektroden und Substrate.

Es ist bekannt, die Energie in Form von Gleichstrompulsen mit festgelegten Pulszeiten und Pulspausenzeiten, auch Tastverhältnis genannt, in ein Plasma zu speisen, um Bogenentladungen zu verringern ( DE 37 00 633 C1 ). Dadurch ist es möglich einerseits den Energieeintrag zu erhöhen und andererseits die thermische Belastung für ein Substrat zu verringern.

Eine vollständige Eliminierung von Bogenentladungen ist mit Hilfe gepulster Stromversorgungen nicht möglich. Tritt eine Bogenentladung auf, wird diese gelöscht, indem die pulsförmige Energiezufuhr gestoppt wird. Dabei kann jedoch auch die Glimmentladung nicht aufrechterhalten werden, was zu einer Unterbrechung des Bearbeitungsprozesses führt.

Es ist weiterhin bekannt bei Magnetronentladungsverfahren mit mindestens zwei Magnetronelektroden Stromversorgungseinrichtungen zu verwenden, welche den Elektroden bipolare Gleichstrompulspakete zuführen ( DE 197 02 187 A1 ). Dabei werden beide Magnetronelektroden periodisch abwechselnd und wechselseitig als Anode bzw. Kathode betrieben. D. h., eine Elektrode wird mit einer Pulsfolge positiver Polarität und die andere Elektrode mit einer Pulsfolge negativer Polarität gespeist. Nach einer festgelegten Anzahl von Pulsen erfolgt jeweils ein Polaritätswechsel. Das Ablagern von zerstäubtem Material an den Elektroden wird hierbei erheblich vermindert und somit eine Ursache für das Ausbilden von Bogenentladungen reduziert. Vollständig können Bogenentladungen aber auch durch diese Vorgehensweise nicht verhindert werden. Aus der gleichen Schrift ist deshalb auch eine Lösung zum Löschen von Bogenentladungen bekannt. Wenn an einer Magnetronelektrode eine Bogenentladung auftritt, erfolgt mit einer festgelegten Zeitverzögerung ein vorzeitiger Polaritätswechsel an den Elektroden. Damit ist es möglich die Bogenentladung zu löschen und den Beschichtungsvorgang ohne Unterbrechung fortzusetzen.

Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass dieses Verfahren nur bei bipolar gepulsten Magnetronentladungen angewendet werden kann. Auf eine unipolar gepulste Anwendung ist dieses Verfahren nicht übertragbar.

Der Erfindung liegt deshalb das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer Bogenentladungen bei plasmaunterstützten Materialbearbeitungsprozessen gelöscht werden können, bei denen die Energie in Form eines Pulsmusters in ein Plasma gespeist wird. Dabei soll das Verfahren und die Vorrichtung sowohl bei unipolaren als auch bipolaren Bearbeitungsvorgängen mit beliebigen Pulsformen und Tastverhältnissen anwendbar sein.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein variables Pulsmuster verwendet, um eine Bogenentladung zum Verlöschen zu bringen. Als Pulsmuster wird im Sinne der Erfindung eine vorgegebene Aufeinanderfolge von Pulsen und Pulspausen mit jeweils festgelegter Zeitspanne für Pulse und Pulspausen verstanden.

Bewirkt ein Energiepuls das Ausbilden einer Bogenentladung, so wird das Pulsmuster mittels einer Steuereinrichtung derart verändert, dass mindestens die Zeitspanne der unmittelbar folgenden Pulspause gegenüber der vor der detektierten Bogenentladung durchgeführten Pulspause verlängert wird. Dabei ist die Pulspause derart zu verlängern, dass die Bogenentladung gelöscht werden kann, der nachfolgende Energiepuls aber noch sicher zum Zünden der Glimmentladung führt. Das Maß für das Verlängern der Pulspause ist dabei keine feste Größe, sondern abhängig von der Historie bisher aufgetretener Bogenentladungen und von prozessspezifischen Parametern wie beispielsweise der Leistung, die in ein Plasma gespeist wird, vom Druck innerhalb einer Prozesskammer und der geometrischen Konfiguration einer Anlage. So kann das Maß für das Verlängern einer Pulspause beispielsweise umso höher angesetzt werden, je öfter Bogenentladungen in der Vergangenheit aufgetreten sind bzw. je kürzer der zeitliche Abstand zwischen zwei Bogenentladungen ist.

Führt die verlängerte Pulspause nicht zum vollständigen Löschen der Bogenentladung, d. h. während des nachfolgenden Pulses wird abermals eine Bogenentladung detektiert (unmittelbares Wiederzünden), so wird die darauf folgende Pulspause um ein weiteres Maß (Verlängerungsfaktor) verlängert gegenüber der vorhergehenden Pulspause, welche schon einmal verlängert wurde. Der Zyklus des Verlängerns der Pulspausen wird so lange fortgesetzt, bis die Bogenentladung vollständig gelöscht ist. Danach erfolgt das Zuführen der Energie mit dem ursprünglichen Pulsmuster.

Die verfahrensspezifischen Daten, insbesondere die Häufigkeit der Bogenentladungen, die Anzahl und die Dauer der verlängerten Pulspausen und die Häufigkeit des unmittelbaren Wiederzündens werden erfasst und können dazu genutzt werden, die Dauer der ersten verlängerten Pulspause sowie die Verlängerungsfaktoren dynamisch an den Prozess anzupassen, um eine Bogenentladung möglichst mit der ersten verlängerten Pulspause löschen zu können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, eine Bogenentladung sicher zu löschen, wobei der Eingriff in einen Bearbeitungsprozess immer auf ein minimal nötiges Maß beschränkt werden kann. Dabei ist das Verfahren sowohl bei unipolar als auch bei bipolar gepulster Energieeinspeisung mit beliebigen Pulsformen und Tastverhältnissen anwendbar.

Zum Detektieren einer Bogenentladung können bekannte optische Sensoren verwendet werden. Dieses Verfahren weist jedoch eine Abhängigkeit vom Entstehungsort einer Bogenentladung innerhalb einer Prozesskammer auf. Je näher sich eine Bogenentladung am Sensor ausbildet, umso besser wird diese erfasst.

Vorteilhafter ist es, eine Bogenentladung in Abhängigkeit von elektrischen Parametern der Energie zu ermitteln, welche einem Plasma zugeführt wird. Dazu erfasst eine Messeinrichtung mindestens eine elektrische Zustandsgröße der Plasmaenergie. Eine Auswerteeinrichtung ermittelt in Abhängigkeit von der erfassten Zustandsgröße oder einer daraus abgeleiteten Größe einen Puls, dessen Energie eine Bogenentladung bewirkt.

Besonders vorteilhaft ist es, mittels der Messeinrichtung den Pulsstrom zu erfassen. Eine Aussage über das Entstehen einer Bogenentladung wird dann erlangt, wenn der Strom eines Energiepulses eine festgelegte Schwelle überschreitet. Diese Vorgehensweise führt zu einem zuverlässigen Ergebnis und ist unabhängig vom Entstehungsort einer Bogenentladung innerhalb einer Prozesskammer. Alternativ kann eine Bogenentladung auch ermittelt werden, indem die Pulsspannung erfasst und ausgewertet wird. Eine Kombination der Auswertung von Strom und Spannung führt ebenfalls zu einem sicheren Ergebnis. Daraus abgeleitete Größen wie Impedanz oder Leitwert sind ebenfalls zum Auswerten geeignet.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform bleibt die Energie, die in ein Plasma gespeist wird, im zeitlichen Mittel unverändert. Die Länge eines Pulses ist ein direktes Maß für die in das Plasma eingespeiste Energiemenge. Wird eine Pulspause aufgrund einer Bogenentladung verlängert, fehlt im zeitlichen Mittel erst einmal ein Maß an Plasmaenergie. Erfindungsgemäß wird dies ausgeglichen, indem nach erfolgreicher Löschung einer Bogenentladung mindestens ein Puls zeitlich verlängert wird. Vorteilhafterweise wird das fehlende Maß an Energie gleichmäßig auf mehrere aufeinander folgende Pulse aufgeteilt, d. h. die Zeitspanne dieser Pulse wird verlängert. Wird hingegen nur ein Energiepuls übermäßig verlängert, so gehen wichtige Vorteile einer gepulsten Energiezuführung verloren. Ein Puls sollte deshalb nicht mehr als 20 % gegenüber seiner ursprünglichen Zeitspanne verlängert werden.

Alternativ ist es auch möglich ein Energiedefizit auszugleichen, indem nach einer vollständigen Löschung einer Bogenentladung eine Anzahl von Pulspausen mit verkürzter Zeitspanne ausgesendet wird. Eine Kombination von verkürzten Pulspausen und verlängerten Pulsen ist ebenfalls möglich.

Das Energiedefizit nach einer gelöschten Bogenentladung auszugleichen und somit den Energieeintrag im zeitlichen Mittel unverändert zu lassen, ist besonders vorteilhaft bei stationär zu beschichtenden Substraten. Bei zeitgesteuerten Prozessen werden somit Variationen der Schichtdicke vermieden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Pulsmusters A
2 eine schematische Darstellung eines veränderten Pulsmusters B bei einer auftretenden Bogenentladung
3 eine schematische Darstellung eines veränderten Pulsmusters C bei einer auftretenden Bogenentladung
Ein Target, bestehend aus Zinn, wird mittels einer Magnetroneinrichtung mit einer Länge von 3750 mm, einer Leistung von 60 kW und bei einem Arbeitsdruck von 0,3 Pa unter Plasmaeinwirkung zerstäubt. Die elektrische Energie wird mittels einer Stromversorgungseinrichtung pulsförmig eingespeist. Die Pulspakete werden unipolar übertragen.
In 1 ist die Abfolge von Rechteckpulsen und Pulspausen als Pulsmuster A schematisch dargestellt. Die Energiepulse können jedoch auch beliebige andere Formen aufweisen. Die eingespeisten Energiepulse 1 weisen jeweils eine Länge von 1 ms auf und werden jeweils durch Pulspausen 2 mit einer Länge von 100 μs unterbrochen. Der mittels einer Messeinrichtung erfasste Strom der Pulse ist unterhalb eines jeden Pulses ebenfalls schematisch dargestellt.
Der mittels der Stromversorgung erfasste Strom wird einer Auswerteeinrichtung zugeführt und mit einem festgelegten Schwellenwert verglichen. Überschreitet der Strom eines Energiepulses den Schwellenwert, so wird eine Bogenentladung detektiert. Als Reaktion auf eine detektierte Bogenentladung wird mittels einer Auswerteeinrichtung aus der Historie bisher aufgetretener Bogenentladungen eine Zeitspanne Z ermittelt. Als Kriterien werden hierbei die Anzahl und die Abstände zwischen den bisherigen Bogenentladungen heran gezogen. Im Ausführungsbeispiel ermittelt die Auswerteeinrichtung eine Zeitspanne von 100 μs. Darauf folgend ändert eine Steuereinrichtung das Pulsmuster.
Ein derartig verändertes Pulsmuster B ist in 2 schematisch dargestellt. Während eines Pulses 3 detektiert die Auswerteeinrichtung infolge des ansteigenden Pulsstromes eine Bogenentladung. Erfindungsgemäß verlängert die Steuereinrichtung die nachfolgende Pulspause 4, um die aufgetretene Bogenentladung zu löschen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Dauer der Pulspause 4 gegenüber den Pulspausen 2 gemäß der Zeitspanne Z auf 200 μs verdoppelt. Die Zeitspanne Z für das Verlängern einer Pulspause ist jedoch auch prozessabhängig und kann bei anderen Anwendungen andere Größen annehmen. Während des der Pulspause 4 unmittelbar nachfolgenden Pulses 5 wird kein überhöhter Pulsstrom erfasst, d. h. die Bogenentladung wurde erfolgreich gelöscht. Die der Pulspause 4 nachfolgenden Pulspausen 2 erfolgen deshalb mit der ursprünglichen Zeitdauer von 100 μs. Das Verlängern der Pulspause 4 bewirkt jedoch, dass die Gesamtenergiemenge, die in einer Zeiteinheit übertragen wird, variiert. Dies führt insbesondere bei stationären Beschichtungsvorgängen mit zeitgesteuerten Prozessen zu einer Verringerung der Schichtdicke. Erfindungsgemäß werden deshalb eine Anzahl von Pulsen 5, die der Pulspause 4 folgen, minimal verlängert.
Auf diese Weise wird das Energiedefizit ausgeglichen und die Energie, die im Mittel übertragen wird, bleibt unverändert. Die Anzahl der Pulse 5 ist abhängig von der Größe des Energiedefizits. Beim in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei Pulse 5 um jeweils 50 μs verlängert. Nach Ausgleich des Energiedefizits werden die Energiepulse mit der ursprünglichen Pulsdauer von 1 ms ausgesendet.
Bewirkt eine verlängerte Pulspause 4 nicht das vollständige Löschen einer Bogenentladung, wird abermals mittels der Auswerteeinrichtung eine Zeitspanne Z ermittelt und das Pulsmuster mittels der Steuereinrichtung verändert. Ein derart verändertes Pulsmuster C ist in 3 schematisch dargestellt. Während des Pulses 6, welcher der Pulspause 4 unmittelbar folgt, detektiert die Auswerteeinrichtung wiederum eine Bogenentladung. Als Zeitspanne Z ermittelt die Auswerteeinrichtung diesmal 200 μs. Mittels der Steuereinrichtung wird die Pulspause 7 gegenüber der Pulspause 4 also ein weiteres Mal verdoppelt und beträgt somit 400 μs. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bewirkt die verlängerte Pulspause 7 das vollständige Löschen der Bogenentladung. Gemäß vorhergehend beschriebener Verfahrensweise werden die der Pulspause 7 folgenden Pulspausen mit der ursprünglichen Zeitspanne von 100 μs ausgesendet und eine Anzahl von Pulsen 5 mit einer verlängerten Zeitspanne, um das entstandene Energiedefizit auszugleichen.

Claims

Verfahren zum Löschen von Bogenentladungen bei plasmaunterstützten Materialbearbeitungsvorgängen, bei denen die Energie mittels mindestens einer Stromversorgungseinrichtung in Form eines Pulsmusters mit einer vorgegebenen Aufeinanderfolge von Pulsen und Pulspausen in ein Plasma gespeist wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Detektieren eines Pulses (3), dessen Energie die Ausbildung einer Bogenentladung bewirkt; b) Ermitteln einer Zeitspanne Z aus der Anzahl und/oder dem zeitlichen Abstand in der Vergangenheit aufgetretener Bogenentladungen mittels einer Auswerteeinrichtung; c) Ändern des Pulsmusters mittels einer Steuereinrichtung derart, dass mindestens die Dauer der dem Puls (3) unmittelbar folgenden Pulspause (4) um die Zeitspanne Z länger ist als die Dauer der Pulspause (2) unmittelbar vor dem Puls (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Puls (3) mittels eines optischen Sensors detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Detektierens des Pulses (3) die Schritte, Erfassen mindestens einer elektrischen Zustandsgröße der in das Plasma fließenden Energie mittels einer Messeinrichtung und Bearbeiten der erfassten Zustandsgröße oder einer daraus abgeleiteten Größe mittels einer Auswerteeinrichtung, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Zustandsgröße/n der Pulsstrom oder/und die Pulsspannung erfasst wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Plasma fließende Energie im zeitlichen Mittel unverändert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung nach erfolgreichem Löschen einer Bogenentladung mindestens die Dauer des dem Puls (3) unmittelbar folgenden Pulses (5) verlängert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung nach erfolgreichem Löschen einer Bogenentladung mindestens die Dauer der der Pulspause (4) unmittelbar folgenden Pulspause verkürzt wird.
Vorrichtung zum Löschen von Bogenentladungen bei plasmaunterstützten Materialbearbeitungseinrichtungen, bei denen die Energie mittels mindestens einer Stromversorgungseinrichtung in Form eines Pulsmusters mit einer vorgegebenen Aufeinanderfolge von Pulsen und Pulspausen in ein Plasma einspeisbar ist, umfassend mindestens eine Detektiereinrichtung, eine Auswerteeinrichtung und mindestens eine Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Detektiereinrichtung ein Puls (3) ermittelbar ist, dessen Energie das Ausbilden einer Bogenentladung bewirkt; wobei mittels der Auswerteeinrichtung aus der Anzahl und/oder dem Abstand in der Vergangenheit aufgetretener Bogenentladungen eine Zeitspanne Z ermittelbar ist; wobei das Pulsmuster mittels der Steuereinrichtung derart änderbar ist, dass mindestens die Dauer der dem Puls (3) unmittelbar folgenden Pulspause (4) um die Zeitspanne Z länger ist als die Dauer der Pulspause (2) unmittelbar vor dem Puls (3).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektiereinrichtung als optischer Sensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektiereinrichtung eine Messeinrichtung zum Erfassen mindestens einer elektrischen Zustandsgröße der in das Plasma fließenden Energie und eine Auswerteeinrichtung zum Bearbeiten der erfassten Zustandsgröße oder einer daraus abgeleiteten Größe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Zustandsgröße/n der Pulsstrom oder/und die Pulsspannung mittels der Messeinrichtung erfassbar ist/sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung nach erfolgreichem Löschen einer Bogenentladung mindestens die Dauer des dem Puls (3) unmittelbar folgenden Pulses (5) verlängerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung nach erfolgreichem Löschen einer Bogenentladung mindestens die Dauer der der Pulspause (4) unmittelbar folgenden Pulspause verkürzbar ist.