-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aktivierung von
Gasen im Vakuum, die bei Verwendung in Verbindung mit einem Vakuum-Beschichtungsverfahren
zu verbesserten Schichteigenschaften führt oder in Verbindung mit
einem Oberflächenbehandlungsverfahren
im Vakuum zu verbesserten Oberflächeneigenschaften
des behandelten Gegenstandes.
-
In
Vakuumverfahren zur Beschichtung oder Modifizierung von Oberflächen von "Substraten" werden die verwendeten
Stoffe oft teilweise in gasförmiger
Form als sogenannte Reaktivgase in die Vakuumkammer eingelassen.
Beispielsweise wird beim reaktiven Aufdampfen von Siliziumoxid aus
verdampftem Silizium Sauerstoff eingelassen oder bei der Reinigung
von Aluminiumoberflächen
von Kohlenwasserstoff-Belägen
wird Sauerstoff eingelassen oder für die Dotierung von Silizium
mit Phosphor wird Phosphin als Gas eingelassen.
-
Die
Wirksamkeit der Reaktivgase wird stark durch ihren chemischen Zustand
bestimmt, in dem sie in der Behandlungszone, die sich innerhalb
der Vakuumkammer befindet, vorliegen. Im Falle von molekularen Gase
ist es insbesondere vorteilhaft, wenn sie als Radikale, als ungebundene
Atome im Grundzustand oder im angeregten Zustand oder als Ionen vorliegen,
also als aktivierte Teilchen.
-
Eine
bekannte Vorrichtung zur Aktivierung von Gasen wird von A. Belkind
in Surface and Coatings Technology, Band 76–77 (1995), S. 738, beschrieben.
Sie besteht aus einem Gehäuse,
in das das zu aktivierende Gas eingeleitet wird, mit zahlreichen
Bohrungen, durch die das Gas herausströmt. An das Gehäuse wird
eine elektrische Spannung angelegt, so dass in den Bohrungen Hohlkathoden-Entladungen
entstehen, die das Gas aktivieren, während es durch die Bohrungen
hindurch strömt.
Diese Vorrichtung wurde erfolgreich zur Oberflächenreinigung von Aluminiumblechen
mittels aktiviertem Sauerstoff verwendet. Der besondere Vorteil
dieser Vorrichtung gegenüber
anderen Vorrichtungen zur Aktivierung von Gasen ist die Verwendung
einer Hohlkathoden-Entladung. Dies ist ein besonders intensiver
Typ einer Gasentladung, der eine sehr effiziente Aktivierung ermöglicht.
-
Die
genannte Vorrichtung hat jedoch mehrere wesentliche Nachteile.
- 1) Das Volumen, in dem die Hohlkathoden-Entladung
brennt, ist die Summe der Volumina der einzelnen Bohrungen und damit
sehr klein, und daher ist die Aktivierungsrate gering.
- 2) Eine Nutzung zur Aktivierung reaktiver Aufdampfprozesse ist
in der Regel nicht möglich,
da eine Hohlkathodenentladung einen relativ hohen Gasdruck erfordert
(mindestens ca. 0,1 mbar), das Aufdampfen aber nur im Hochvakuum
erfolgen kann (bei einem Druck von weniger als ca. 10–4 mbar).
- 3) In plasmainduzierten oder plasmagestützten Beschichtungsprozessen
hat die Vorrichtung den entscheidenden Nachteil, dass andere Gase,
die für
die Beschichtung ebenfalls erforderlich sind, durch Diffusion in
die Hohlkathoden eindringen. Im Falle von Edelgasen, wie beispielsweise
Argon, das sehr oft als Arbeitsgas in Plasmaprozessen zum Einsatz
kommt, bewirkt die Hohlkathoden-Entladung
dann vorrangig eine Ionisierung des Edelgases und nicht die gewünschte Aktivierung
des Reaktivgases. Im Falle von schichtbildenden Gasen, wie beispielsweise
flüchtigen Kohlenwasserstoffen
oder Silanen, wird sich auf der Hohlkathoden-Oberfläche sehr
schnell eine Schicht bilden, die die Entladung empfindlich stört. Auch
in diesem Fall kann die Entladung das schichtbildende Gas gegenüber dem
Reaktivgas bevorzugen. Das gilt insbesondere dann, wenn das schichtbildende
Gas Wasserstoff enthält.
- 4) Durch die Hohlkathoden-Entladung kommt es zur Kathodenzerstäubung der
inneren Oberfläche der
Bohrungen. Dadurch wird Kathodenmaterial abgetragen, was zur Verunreinigung
der zu behandelnden Oberfläche
führen
kann. Außerdem vergrößert sich
allmählich
der Durchmesser der Bohrungen, wodurch die Langzeitstabilität der Vorrichtung
beschränkt
wird.
-
Ausgehend
hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand
der Technik bekannten Probleme der Aktivierung von Gasen zu beseitigen
und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine effiziente Aktivierung
ermöglicht
wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die weiteren
abhängigen
Ansprüche
zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 19
bis 21 wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
-
Erfindungsgemäß wird eine
Vorrichtung zur Aktivierung eines durch die Vorrichtung strömenden Gases
bereitgestellt, bei der die Aktivierung mittels einer Hohlkathoden-Glimmentladung
erfolgt. Die Vorrichtung besteht dabei aus einem mit mindestens
einer Gaszuleitung und mindestens einer Öffnung für den Gasaustritt versehenen
Gehäuse,
einer Hohlkathode sowie einem durch das Gehäuse begrenzten Innenraum mit
einer darin angeordneten Anode. Die Dimensionierung der mindestens
einen Öffnung
für den
Gasaustritt im Verhältnis
zur Wandstärke
der Hohlkathode ist dabei derart gewählt, dass die Hohlkathoden-Glimmentladung
auf den Innenraum begrenzt ist und sich nicht auf die Öffnungen
für den Gasaustritt
erstreckt.
-
Mit
dieser Vorrichtung ist es möglich,
dass die Hohlkathoden-Glimmentladung wirksam von der Gasatmosphäre im umgebenden
Vakuumraum getrennt wird. Sie brennt daher ausschließlich in
der Reaktivgasatmosphäre
und führt
somit zu einer sehr effizienten Aktivierung des Reaktivgases. Weiterhin können mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unerwünschte
Effekte wie eine Beschichtung der Hohlkathode, die zu einer progressiven Degradation
führt, vermieden
werden.
-
Der
Durchmesser der Bohrungen kann so gewählt werden, dass ein großer Druckunterschied zwischen
Innenraum und dem umgebenden Vakuumraum entsteht. Dadurch kann im
Vakuumraum der für
die Oberflächenbehandlung
optimale Druck aufrechterhalten und dennoch im Innenraum ein hinreichend
hoher Druck für
eine optimal ausgebildete sehr intensive und damit wirksame Hohlkathoden-Glimmentladung
eingestellt werden. Ebenso können
die Dimensionen des Innenraums völlig
frei von anderen Bedingungen so eingestellt werden, dass sich bei
einem bestimmte, sich durch die Größe der Öffnungen und den Gasfluss ergebenden
Druck im Innenraum eine optimal ausgeprägte Hohlkathoden-Glimmentladung
ausbildet.
-
Weiterhin
kann, auch ohne Veränderung
der Hohlkathodenweite, die Gesamtoberfläche der Hohlkathode praktisch
unbegrenzt groß gewählt werden, wodurch
ein sehr energiereiches Hohlkathodenplasma erzeugt und ein intensiver
Kontakt mit dem Reaktivgas hergestellt werden kann. Durch die wirksame Trennung
von Hohlkathoden-Oberfläche
und zu behandelnder Oberfläche
sowie durch den großen Querschnitt
der Hohlkathode, der zu einer niedrigen Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb
der Hohlkathode führt,
wird abgestäubtes
Kathodenmaterial nur in äußerst geringen
Mengen zur Substratoberfläche transportiert.
-
In
einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die Hohlkathode vom Gehäuse
isoliert und im Innenraum des Gehäuses angeordnet. Bei dieser
Variante ist demnach die Anode in der Hohlkathode angeordnet, wobei
die Hohlkathode zusätzlich durch
ein Gehäuse
umgeben ist, das die entsprechenden Öffnungen für die Gaszuleitung und den Gasaustritt
aufweist.
-
Eine
zweite Variante der Vorrichtung sieht vor, dass das Gehäuse als
Hohlkathode ausgestaltet ist. Vorrichtungstechnisch wird dies so
umgesetzt, dass an das Gehäuse
eine Spannung angelegt wird, so dass diese als Hohlkathode fungiert.
-
Für die Ausgestaltung
der Hohlkathode stehen verschiedene bevorzugte Alternativen zur
Verfügung.
So kann die Hohlkathode als ein Rohr mit einem Innendurchmesser
zwischen 0,5 und 200 mm ausgestaltet sein. Ebenso ist es möglich, eine
Hohlkathode aus mindestens zwei parallelen Platten mit einem Plattenabstand
zwischen 0,5 und 200 mm zu verwenden. Eine dritte Alternative sieht
vor, dass die Hohlkathode als feinmaschiges Metallnetz ausgestaltet
ist.
-
Hinsichtlich
des Materials weist die Hohlkathode vorzugsweise eine metallische
Oberfläche
auf. Besonders bevorzugt kann die metallische Oberfläche wiederum
mit einer dielektrischen Schicht, z. B. als Eigenoxid des metallischen
Kathodenmaterials, überzogen
sein.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist die Hohlkathode
mit einer Kühlvorrichtung
versehen. Bevorzugt kann dabei die Hohlkathode mit der Kühlvorrichtung über einen
Wärmewiderstand
verbunden sein.
-
Bevorzugt
ist die Öffnung
für den
Gasaustritt in dem Gehäuse
und/oder der Hohlkathode als dünne
Blende, als Bohrung oder als Durchbruch ausgestaltet. Für den Querschnitt
kommen dabei sowohl runde, eckige oder auch schlitzförmige Geometrien in
Betracht.
-
Vorzugsweise
herrscht in dem durch das Gehäuse
vom Vakuumraum abgetrennten Innenraum ein Gasdruck zwischen 0,01
und 100 mbar. Dahingegen herrschen im Vakuumraum Drücke zwischen 10–5 mbar
bis 100 mbar.
-
Für die Anregung
der Hohlkathoden-Glimmentladung kann Gleichspannung mit einer Anregungsspannung
zwischen 10 und 2000 V, eine gepulste Gleichspannung, sowie eine
Nieder-, Mittel- oder Hochfrequenzanregung erfolgen. Ebenso ist
der Einsatz von Mikrowellen für
die Anregung möglich.
-
Bevorzugt
wird die mindestens eine Öffnung für den Gasaustritt
und die Hohlkathode derart angeordnet, daß mindestens eine Umlenkung
des durch die Vorrichtung strömenden
Gases zwischen der Hohlkathode und der Gasaustrittsöffnung erfolgt.
Auf diese Weise wird es ermöglicht,
dass der Austrag von Kathodenmaterial durch die Öffnungen für den Gasaustritt vollständig unterdrückt wird.
Eine weitere Maßnahme
den Austrag von Kathodenmaterial zu verhindern besteht darin, die
Anode als Strömungswiderstand
für das
durch die Vorrichtung strömende Gas
derart anzuordnen, dass eine Umlenkung des durch die Vorrichtung
strömenden
Gases um die Anode herum erfolgt.
-
Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung beruht darauf,
dass die Vorrichtung mit einem Magneten zur Erzeugung eines Magnetfelds zur
Unterstützung
der Hohlkathoden-Glimmentladung versehen wird.
-
Erfindungsgemäß wird ebenso
ein Verfahren zur Aktivierung eines Gases mittels einer Hohlkathoden-Glimmentladung bereitgestellt.
Dieses beruht auf den folgenden Verfahrensschritten:
a) Zunächst wird über einen
Gaszutritt das Gas in einen Innenraum des Gehäuses eingeleitet,
b) das
Gas wird im Gehäuse
durch eine Hohlkathoden-Glimmentladung
aktiviert, die durch eine im Innenraum befindliche Anode gezündet wird,
und
c) das aktivierte Gas wird über mindestens eine Gasaustrittsöffnung aus
dem Gehäuse
geleitet.
-
Hierbei
ist die Dimensionierung der Gasaustrittsöffnung derart gewählt, dass
die Hohlkathoden-Glimmentladung
auf den Innenraum begrenzt ist und sich nicht auf die Öffnungen
im Gehäuse
erstreckt.
-
Eine
Variante des Verfahrens sieht vor, dass 4 an das Gehäuse eine
Spannung angelegt wird und somit das Gehäuse die Hohlkathode darstellt.
Alternativ kann dass Verfahren aber auch derart durchgeführt werden,
dass die Hohlkathode vom Gehäuse elektrisch
isoliert ist, wobei die Hohlkathode im Innenraum des Gehäuses angeordnet
ist.
-
Verwendung
findet die erfindungsgemäße Vorrichtung
vor allem bei der Aktivierung von Gasen für PVD- und CVD-Verfahren. Zu
den physikalischen Dampfabscheidungsverfahren zählen beispielsweise das Kathodenzerstäuben mittels
Magnetron oder Gasflufssputtern, das Bedampfen mittels Elektrodenstrahl-Verdampfer,
das Arc-Verdampfen, das Jet-Verdampfen von chemischen Verbindungen,
z. B. Oxiden, Nitriden, Carbiden oder von dotierten Halbleitern,
wobei schichtbildende Gase oder Dotiergase aktiviert werden. Ebenso
kann die Vorrichtung bei der chemischen Abscheidung von Schichten
aus der Gasphase, beispielsweise von kohlenstoffhaltigen oder siliziumhaltigen
Schichten oder von Halbleiterschichten eingesetzt werden, wobei
die schichtbildenden Gase oder Dotiergase aktiviert werden.
-
Eine
weitere alternative Verwendung beruht auf dem Reinigen von Oberflächen mit
plasmaaktivierten Gasen, z. B. die Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Belägen mit
aktiviertem Sauerstoff oder die Reduktion von Oxidbelägen mittels
Wasserstoff.
-
Weiterhin
kann die Vorrichtung auch bei der Aktivierung von Kunststoff-Oberflächen zwecks
besserer Haftung von Schichten, z. B. Lacken, durch Behandlung mit
aktivierten Gasen eingesetzt werden.
-
Anhand
der folgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne
diesen auf diese Ausführungsvarianten
zu beschränken.
-
1 zeigt
die Schnittzeichnung einer Variante der erfindungsgemäße Vorrichtung,
bei der das Gehäuse
als Hohlkathode fungiert,
-
2 zeigt
die Schnittzeichnung einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der die Hohlkatode von dem Gehäuse isoliert und im Innenraum
des Gehäuses
angeordnet ist,
-
3 zeigt
die Schnittzeichnung einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Kühlkörper sowie
einem angelegten Magnetfeld,
-
4 zeigt
die Schnittzeichnung einer zu 2 analogen
Vorrichtung, wobei die Hohlkathode
-
als Metallnetz ausgestaltet
ist und
-
5 zeigt
die Schnittzeichnung einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der die Kathode aus parallel zueinander ausgerichteten Platten
besteht.
-
In 1 ist
eine zylinderförmige
Hohlkathode 1, die als Gehäuse fungiert, im Querschnitt
dargestellt. In dieser Variante wird an das Gehäuse eine Spannung angelegt,
so dass Gehäuse
und Hohlkathode in einem Bauteil realisiert werden können. Im dem
durch die Hohlkathode begrenzten Innenraum 3 ist eine Anode 2 angeordnet.
Gleichzeitig weist die Vorrichtung eine in diesem Fall kanalförmige Gaszuleitung 4 sowie
eine Öffnung 5 für den Gasaustritt auf.
In dieser Variante ist die Hohlkathoden-Glimmentladung auf den Innenraum 3 begrenzt,
eine Ausbreitung auf die Öffnung 5 ist
ausgeschlossen.
-
Eine
weitere Variante ist in 2 dargestellt. Hierbei ist die
Hohlkathode 1 im Innenraum des Gehäuses 6 angeordnet.
In der Hohlkathode sind eine Anode 2 sowie im Zentrum eine
Gaszuleitung 4 angeordnet. Auch hier findet die Hohlkathoden-Glimmentladung
allein im Innenraum 3 statt. Gleichzeitig weist die Hohlkathode
zwei Öffnungen
auf, durch die das aktivierte Gas aus dem Innenraum 3 der
Hohlkathode 1 in den die Hohlkathode umgebenden Raum des
Gehäuses 6 entweichen
kann. Die beiden Öffnungen
sind dabei senkrecht zur Gasaustrittsöffnung 5 des Gehäuses 6 angeordnet.
Dies soll bezwecken, dass eine Umlenkung des Gasstroms erfolgt,
um die Austragung von Kathodenmaterial durch die Öffnungen
für den
Gasaustritt zu verhindern.
-
3 zeigt
den Querschnitt einer Variante der Vorrichtung mit einer rechteckigen
Grundfläche. In
dem Gehäuse 6 ist
eine aus zwei parallel zueinander angeordneten Platten 1, 1' bestehende
Hohlkathode angeordnet. Die beiden Platten 1, 1' sind mit einer
Kühlung 7 versehen,
die über
zwei Wärmewiderstände 8, 8' mit den Platten
verbunden sind. Im Zentrum der Hohlkathode ist eine Gaszuleitung 4 angeordnet.
An der offenen Seite der Hohlkathode ist eine Anode 2 derart
angeordnet, dass diese einen Strömungswiderstand
für den
aktivierten Gasstrom darstellt, so dass der Gasstrom um die Anode
herum zur Gasaustrittsöffnung 5 geleitet
wird. Auf diese Weise wird die Austragung von Kathodenmaterial verhindert.
Zusätzlich
weist die Vorrichtung noch zwei Magnete 9, 9' auf, die ein
Magnetfeld zur Unterstützung der
Hohlkathoden-Glimmentladung
erzeugen.
-
4 zeigt
eine mit 2 vergleichbare Vorrichtung,
wobei hier die Hohlkathode 1 als Metallnetz ausgebildet
ist. Das aktivierte Gas kann durch das Metallnetz in den die Hohlkathode 1 umgebenden Raum
des Gehäuses 6 gleichmäßig in alle
Raumrichtungen verteilt strömen
und anschließend
durch die Gasaustrittsöffnung 5 das
Gehäuse 6 verlassen. Auch
hier findet eine Umlenkung des Gasstroms statt, die eine Austragung
von Kathodenmaterial durch die Gasaustrittsöffnung 5 verhindert.
-
Eine
weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt 5.
Auch hier weist das Gehäuse 6 eine
rechteckige Grundfläche
auf. Die Hohlkathode besteht hier aus drei zueinander parallel angeordneten
Platten 1, 1' und 1''. Zwischen den Platten sind zwei
Gaszuleitungen 4, 4' angeordnet.
Die Platten der Hohlkathode wiederum sind über eine Kühlvorrichtung 7 mit einander
verbunden. In Analogie zu 3 ist die
Anode 2 als Strömungswiderstand
zwischen Hohlkathode und Gasaustrittsöffnung 5 angeordnet.