DE19722272A1

DE19722272A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma

Info

Publication number: DE19722272A1
Application number: DE19722272A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Liehr
Original assignee: Leybold Systems GmbH
Current assignee: Leybold Systems GmbH
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1998-12-03
Also published as: KR100284903B1; EP0916153A1; WO1998054748A1; EP0916153B1; US6194835B1; DE59810077D1; KR20000022504A; JP3853377B2; JP2000515678A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeu gung von Plasma in einer Vakuumkammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern, wobei ein stabförmiger Leiter innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff durch die Vakuumkammer ge führt ist und der Innendurchmesser des Isolierroh res größer als der Durchmesser des Leiters ist, wobei das Isolierrohr an den beiden Enden in Wän den der Vakuumkammer gehalten und gegenüber den Wänden an seiner Außenfläche abgedichtet ist und der Leiter an beiden Enden jeweils an eine erste Quelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Wech selfelder angeschlossen ist.

Eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma (DE 195 03 205) ermöglicht es, in einem begrenzten Betriebsbereich (Prozeßbereich, Gasdruck, Mikro wellenleistung) Plasmen für Oberflächenbehandlun gen und Beschichtungstechnik zu erzeugen. Die be kannte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus ei nem in einer Vakuumprozeßkammer installierten zy lindrischen Glasrohr und einem darin befindlichen metallisch leitenden Rohr, wobei im Innenraum des Glasrohrs Atmosphärendruck herrscht. Mikrowellen leistung wird beidseitig durch zwei Einspeisungen und zwei metallische Koaxialleitungen, bestehend aus Innenleiter und Außenleiter, durch die Wände der Vakuumprozeßkammer eingeleitet. Der fehlende Außenleiter der Koaxialleitung innerhalb der Vaku umprozeßkammer wird durch eine Plasmaentladung er setzt, die bei hinreichenden Zündbedingungen (Gasdruck) durch die Mikrowellenleistung gezündet und aufrechterhalten wird, wobei die Mikrowellen leistung aus den beiden metallischen Koaxiallei tungen und durch das Glasrohr in die Vakuumprozeß kammer austreten kann. Das Plasma umschließt das zylinderförmige Glasrohr von außen und bildet zu sammen mit dem Innenleiter eine Koaxialleitung mit sehr hohem Dämpfungsbelag. Bei feststehender, beidseitig eingespeister Mikrowellenleistung kann der Gasdruck der Vakuumprozeßkammer so eingestellt werden, daß das Plasma augenscheinlich gleichmäßig entlang der Vorrichtung dort brennt, wo innerhalb der Vakuumprozeßkammer der Außenleiter der Koa xialleitung fehlt.

Wenn der Gasdruck in der Vakuumprozeßkammer bei voreingestellter Mikrowellenleistung erhöht wird, geht jedoch erfahrungsgemäß die Gleichmäßigkeit des Plasmas entlang der Vorrichtung verloren. Das Plasma in etwa halber Distanz zwischen Einspei sungspunkten der Vorrichtung wird optisch schwä cher und kann ab einem gewissen Druck gänzlich er löschen. Die Plasmalinie "reißt auf" und die bei den entstehenden Teilplasmen ziehen sich bei wei terer Druckerhöhung in Richtung der Einspeisungen zurück. Insbesondere bei langen Vorrichtungen (z. B. ab 1 m) führt dieser Effekt zu ungleichmä ßigen Plasmen und daraus resultierenden ungleich mäßigen Vakuumprozessen. Die Teilplasmen zeigen hohe Leuchtkraft an den Einspeisungsenden in der Nähe der Wände und werden zur Mitte hin schwächer.

Die Beobachtung ist auf ein intrinsisches Verhal ten von Koaxialleitungen zurückzuführen, wobei es offensichtlich keine Rolle spielt, ob der Außen leiter aus Metall oder elektrisch leitfähigem Plasma besteht.

Es ist bekannt, daß die Dämpfung α_c von transver salen elektromagnetischen Wellen pro Längeneinheit der Koaxialleitung durch die elektrische Leitfä higkeit von Innen- und Außenleiter begrenzt wird und wie folgt beschrieben werden kann:

Mit den Parametern
a und b werden Außendurchmesser vom Innenleiter und Innendurchmesser vom Außenleiter einer Koaxialleitung bezeichnet,
δ_s ist die Eindringtiefe (Skin Effekt) der Mikrowellen in die leitfähigen Oberflä chen,
λ₀ ist die Freiraumwellenlänge der verwen deten Mikrowellen und
ε_R die relative Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums der Koaxialleitung (= 1 für Luft).

Wie der Formel zu entnehmen ist, hängt die Dämp fung der Mikrowellen in keiner Weise von der Posi tion entlang der Koaxialleitung ab. Da die dielek trische Füllung der Koaxialleitung aus Luft be steht und ε_R über die Länge der Vorrichtung kon stant ist, hängt die Höhe der Dämpfung nur von der Eindringtiefe der Mikrowellen in die leitenden Oberflächen ab. Bei konstanter Dämpfung pro Län geneinheit heißt das, daß die netto an das Plasma pro Längeneinheit abgegebene Mikrowellenleistung entlang der Vorrichtung zur Mitte hin absinkt. Da der Außenleiter aus Plasma besteht, kann diese Leitfähigkeit nicht exakt bestimmt werden. Sicher lich hängt sie von der Plasmadichte ab und diese wiederum ist in bestimmten Grenzen eine Funktion der Mikrowellenleistungsdichte im Entladungsge biet. Sie ist vermutlich einige Größenordnungen höher als bei metallischen Oberflächen (∼ 50 µm) und nicht konstant über die Länge der Vorrichtung.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß die bekannte Vor richtung kaum in der Lage ist, eine Plasmaentla dung bei niedrigeren Drücken als 8×10^-2 mbar auf rechtzuerhalten. Zur Erhöhung der Flexibilität der Vorrichtung wäre es wünschenswert, Betriebsbedin gungen für eine Plasmaentladung ohne Magnetfeldun terstützung auch bei niedrigeren Drücken zu ge währleisten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, die Nachteile der bekannten Vorrichtung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß stabförmige Leiter jeweils im Bereich beider Wanddurchführungen in Richtung auf seine mittlere Partie zu von einem Rohrstück aus elektrisch lei tendem Werkstoff beabstandet umschlossen ist, wo bei die beiden Rohrstücke konzentrisch zum Iso lierrohr angeordnet und jeweils an eine zweite Quelle zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes angeschlossen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der stabförmige Leiter von einem Rohr aus elektrisch leitendem Werkstoff beabstandet umschlossen, wobei beide Enden des Rohres jeweils an eine zweite Quelle zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes angeschlossen sind, und wobei die mittlere Partie des Rohres mit einer Ausnehmung, beispielsweise einem länglichen, rhombusförmigen Längsschlitz, versehen ist.

Weitere Ausführungsmöglichkeiten, Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentansprüchen näher be schrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu; zwei davon sind in den an hängenden Zeichnungen rein schematisch näher dar gestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma im Längsschnitt und jeweils mit Rohrstüc ken im Bereich der beiden Enden eines stabförmigen Leiters,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform mit ei nem den stabförmigen Leiter in seiner ge samten Länge umschließenden Rohr, wobei das Rohr über einen wesentlichen Teil seiner Länge mit einer längsschlitzförmi gen Ausnehmung versehen ist,

Fig. 3 das Rohr gemäß Fig. 2,

Fig. 4, 5 den stabförmigen Leiter in zwei Ausfüh rungsformen und jeweils im Querschnitt dargestellt und

Fig. 6, 7 diagrammartige Darstellungen der Feld stärke des elektromagnetischen Feldes für die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vor richtungen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht im wesentli chen aus dem durch die Wandteile 6, 7 der Vakuum kammer 3 hindurchgeführten Isolierrohr 5 (einem Glasrohr) mit dem zu diesem koaxial angeordneten stabförmigen Leiter 4, den jeweils an beiden Enden des Leiters 4 angeordneten ersten Quellen 8, 9, den beiden den Leiter 4 umschließenden und sich eben falls in Leiter-Längsrichtung erstreckenden metal lenen Rohrstücken 12, 13, den jeweils mit den Rohr stücken 12, 13 verbundenen zweiten Quellen 14, 15 und den beiden Metallmanschetten 16, 17, die die Bildung von Plasma im Bereich der Wanddurchführun gen 10, 11 verhindern.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen dadurch, daß der stabförmige Leiter 4 von einem einzigen Rohr 20 aus elektrisch leitendem Werkstoff beabstandet um schlossen ist, wobei beide Enden des Rohres 20 je weils an eine zweite Quelle 14 bzw. 15 angeschlos sen sind und die mittlere Partie des Rohres 20 mit einer längsschlitzförmigen Ausnehmung 21 versehen ist.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist mit insgesamt vier koaxialen Mikrowelleneinspeisungen ausgestattet. Zusätzliche, metallisch leitende Rohre 12 und 13 ergeben zusammen mit dem Innenleiter 4 und den Au ßenleitern 16, 17 insgesamt vier koaxiale, konzen trische Mikrowelleneinspeisungen, nämlich 16,12 im Bereich von A, 12,4 im Bereich von B, 13,4 im Be reich von C und 17,13 im Bereich von D. Anstatt vier konzentrischer, koaxialer Mikrowelleneinspei sungen können für längere Plasmaquellen und/oder bei höheren Gasdrücken in der Vakuumprozeßkammer auch sechs, acht oder mehr (je nach technischer Machbarkeit) Mikrowelleneinspeisungen installiert werden, wobei die Abstände (z. B. A-B oder B-C) untereinander variiert werden können, so daß eine gleichmäßige Plasmaverteilung erreicht wird. Für je zwei konzentrische Koaxialleitungen werden aber nur drei metallisch leitende Rohre gebraucht. Der Außenleiter einer inneren Koaxialleitung ist gleichzeitig der Innenleiter einer äußeren, die innere Koaxialleitung umschließende Koaxiallei tung.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 sind die Übergänge von der metallischen Koaxialleitung zur "Plasma leitung" abrupt, d. h. die Stirnflächenebenen der metallischen Außenleiter (z. B. 16) stehen senk recht zur Mittelachse. Um der starken Dämpfung (entspricht Leistungsabgabe an das Plasma) der Mikrowellenleistung an den Einspeisungspunkten entgegenzuwirken, kann der Außenleiter 20 (Fig. 2) so modifiziert werden, daß er stetig zunehmend aufgetrennt wird, wie in den Bereichen E-F und G-H angedeutet. Die metallische Koaxialleitung wird zur Mitte zunehmend durch eine Plasmaleitung er setzt. Dies hat den Nachteil, daß das Plasma nicht radialsymmetrisch um das Glasrohr 5 brennt, was aber für die meisten Applikationen ohne Bedeutung ist. Der Übergang von einem metallischen Außenlei ter zu einem Plasmaleiter kann auch anderer Ge stalt sein, z. B. durch koaxiale Schlitze mit zu nehmender Breite. Wesentlich ist nur, daß der Übergang nicht abrupt, sondern stetig zunehmend gestaltet ist, und daß keine Wellenreflektionen auftreten.

Zur Verbesserung der Plasmazündbedingungen bei ho hen und auch niedrigen Gasdrücken im Entladungsvo lumen ist es vorteilhaft, die Feldstärke des elek trischen Anteils des elektromagnetischen Wechsel feldes bei vorgegebener Mikrowellenleistung zu er höhen. Dies ist auch der Vorteil von Plasmaquellen mit resonanten Strukturen (Resonatoren) gegenüber Wanderfeldstrukturen. Die bekannte Vorrichtung (DE 195 03 205) ist eine Wanderfeldstruktur und wird mit rein transversal elektromagnetischen (TEM) Wellen betrieben. Trotzdem kann auch in diesem Fall eine Feldverstärkung erreicht werden, indem der Querschnitt des metallischen Innenleiters 4 von der zylindrischen Form (Fig. 4) zu einer kan tigen Form (Fig. 5) geändert wird. Die strenge Ra dialsymmetrie des elektrischen Anteils des elek tromagnetischen Wechselfeldes im Falle des zylin drischen Innenleiters wird gebrochen und es findet eine Konzentration der elektrischen Feldlinien (mit gestrichelten Pfeilen in den Fig. 4 und 5 an gedeutet) auf die Kanten statt.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 bewirkt eine gleichmäßigere Verteilung der Feldstärke des elek trischen Anteils des elektromagnetischen Wechsel feldes der Mikrowellen über die gesamte Länge der Vorrichtung, wie in Fig. 6 angedeutet ist. Bei nur zwei Einspeisungspunkten A, D ergibt sich eine Ver teilung gemäß der Kurve L, bei vier Einspeisungs punkten ist eine Verteilung gemäß Kurve M zu er warten. Die abgebildeten Kurven stehen in keinem absoluten Zusammenhang, lediglich die Verläufe sind relevant. Darüber hinaus bietet die Verbesse rung die Möglichkeit, die Mikrowellenleistung von einer größeren Anzahl als zwei Mikrowellengenera toren in eine einzige Vorrichtung einzuspeisen. Dies ist beispielsweise sehr wichtig für plasma chemische Prozesse, die bei Prozeßdrucken von 50 mbar und höher (z. B. Diamantabscheidung) ab laufen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 bewirkt ebenfalls eine gleichmäßigere Verteilung der Feldstärke des elektrischen Anteils des elektromagnetischen Wech selfeldes der Mikrowellen über die gesamte Länge der Vorrichtung, wie in Fig. 7 angedeutet ist. Bei dem stetig zunehmenden Übergang von einer metalli schen Koaxialleitung in eine Plasmaleitung zwi schen den Punkten E-F und G-H ergibt sich eine Verteilung gemäß Kurve O. Kurve O stellt bereits nahezu die anzustrebende Idealverteilung für li neare Plasmaquellen dar. Diese Verbesserung arbei tet aber wie die ursprüngliche Vorrichtung mit nur zwei Einspeisungspunkten.

Sollen hohe Leistungsdichten an Mikrowellen ent lang der Vorrichtung herrschen, so sind die Merk male der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 zu kombinieren. Bei entsprechenden Abmessungen der Vorrichtung können auf diese Weise absolut homoge ne Plasmadichten über längere Strecken (z. B. 3 m) erreicht werden.

Die in Fig. 3 angedeutete Ausbildung des Rohres 20 mit der länglichen, rhombusförmigen Ausnehmung 21 bewirkt eine Erhöhung des elektrischen Anteils des elektromagnetischen Wechselfeldes in der Nähe der Kanten (verglichen mit einem zylindrischen, metal lischen Innenleiter bei unveränderter Mikrowellen leistung) und damit eine Verbesserung der Plasma zünd- und Brennbedingungen bei niedrigem und auch hohem Gasdruck in der Entladungszone.

Bezugszeichenliste

3

Vakuumkammer

4

stabförmiger Leiter

5

Isolierrohr

6

Vakuumkammerwand

7

Vakuumkammerwand

8

erste Quelle

9

erste Quelle

10

Wanddurchführung

11

Wanddurchführung

12

Rohrstück

13

Rohrstück

14

zweite Quelle

15

zweite Quelle

16

Rohrstück, Metallmanschette

17

Rohrstück, Metallmanschette

18

keilförmiger Ausnehmungsabschnitt

19

keilförmiger Ausnehmungsabschnitt

20

Rohr

21

Ausnehmung

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer (3) mit Hilfe von elektromagne tischen Wechselfeldern, wobei ein stabförmi ger Leiter (4) innerhalb eines Rohres (5) aus isolierendem Werkstoff durch die Vakuumkammer (3) geführt ist und der Innendurchmesser des Isolierrohres (5) größer als der Durchmesser des Leiters (4) ist, wobei das Isolierrohr (5) an beiden Enden in Wänden (6, 7) der Vaku umkammer (3) gehalten und gegenüber den Wän den (6, 7) an seiner Außenfläche abgedichtet ist und der Leiter (4) an beiden Enden je weils an einer erste Quelle (8 bzw. 9) zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfel der angeschlossen ist, dadurch gekennzeich net, daß der stabförmige Leiter (4) jeweils im Bereich beider Wanddurchführungen (10, 11) in Richtung auf seine mittlere Partie (k) zu ein Stück weit von einem Rohrstück (12, 13) aus elektrisch leitendem Werkstoff beabstan det umschlossen ist, wobei die beiden Rohr stücke (12, 13) konzentrisch zum Isolierrohr (5) angeordnet und jeweils die kreisringzy linderförmigen, vom Isolierrohr (5) und dem jeweiligen Rohrstück (12, 13) gebildeten Zwi schenräume an eine zweite Quelle (14 bzw. 15) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wech selfeldes angeschlossen sind.

2. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer (3) mit Hilfe von elektromagne tischen Wechselfeldern, wobei ein stabförmi ger Leiter (4) innerhalb eines Rohres (5) aus isolierendem Werkstoff durch die Vakuumkammer (3) geführt ist und der Innendurchmesser des Isolierrohres (5) größer als der Durchmesser des Leiters (4) ist, wobei das Isolierrohr (5) an beiden Enden in Wänden (6, 7) der Vaku umkammer (3) gehalten und gegenüber den Wän den (6, 7) an seiner Außenfläche abgedichtet ist und der Leiter (4) an beiden Enden je weils an einer erste Quelle (8 bzw. 9) zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfel der angeschlossen ist, dadurch gekennzeich net, daß der stabförmige Leiter (4) von einem Rohr (20) aus elektrisch leitendem Werkstoff beabstandet umschlossen ist und beide Enden des Rohrs (20) jeweils an eine zweite Quelle (14 bzw. 15) zur Erzeugung eines elektroma gnetischen Wechselfeldes angeschlossen sind, wobei die mittlere Partie des Rohres (20) mit einer Ausnehmung (21), beispielsweise einem länglichen, rhombusförmigen Längsschlitz, versehen ist.