DE19937621A1 - Verfahren und Einrichtung zur pulsförmigen Energiezuführung für ein Niederdruckplasma und deren Anwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulsförmigen Energiezuführung für ein Niederdruckplasma, welches zwischen mindestens zwei Elektroden brennt, die als Kathode bzw. Anode geschaltet werden, und die Energiezuführung für die Dauer einer Puls-Ein-Zeit erfolgt und während einer Puls-Aus-Zeit unterbrochen wird. Die Dauer der Puls-Ein-Zeit und/oder die Dauer der Puls-Aus-Zeit wird bzw. werden dabei aperiodisch nach einem willkürlichen Zufallsprinzip festgelegt, wobei die Dauer beider Zeiten zwischen 0,5 Mikrosekunden und 500 Mikrosekunden gewählt wird. DOLLAR A Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Gasentladungsraum, mindestens zwei Elektroden, einzelnen oder integrierten Baueinheiten für die Stromversorgung, einer Schalteinrichtung und einer Steuereinheit sowie Mitteln zur Zuführung der Energie an die Elektroden. Der Schalteinrichtung (8) oder der Steuereinheit (9) ist ein Zufallsgenerator (10) zugeordnet, der die Dauer einer Puls-Ein-Zeit und/oder die Dauer einer Puls-Aus-Zeit nach einem willkürlichen Zufallsprinzip beenden oder festlegen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulsförmigen Energiezuführung zur Ausbildung eines Niederdruckplasmas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des weiteren be­ trifft die Erfindung eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 zur Realisierung des Verfahrens sowie die Anwendung des Verfahrens und/oder der Einrichtung nach den Ansprüchen 6 bzw. 7.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, bei denen Substrate in einem Niederdruckplasma behandelt werden. Eine breite Nutzung derartiger Verfahren erfolgt dabei z. B. zur plasmagestützten Abscheidung von dünnen Schichten auf Substraten.

Von besonderer verfahrenstechnischer Bedeutung ist dabei die Aufrechterhaltung einer stabilen und im Behandlungs­ raum möglichst gleichmäßigen Gasentladung. Instabile Gasentladungen können leicht zur Ausbildung von uner­ wünschten Bogenentladungen, auch als "arcing" bezeichnet, und zu qualitativen Mängeln der Substratbehandlung bzw. bei der Schichtausbildung führen. Gasentladungen mit lokal ungleichmäßiger Plasmadichteverteilung führen oft partiell zu hohen Wärmebelastungen der Substrate und Einrichtungen und können ihrerseits Bogenentladungen auslösen, die die Stabilität der Entladung stören.

Zur Beherrschung der spezifischen Probleme ist es bekannt, die Energie für die Ausbildung eines Niederdruckplasmas pulsförmig zuzuführen. Das gilt insbesondere, wenn die Entladung in einem Gemisch aus einem inerten Gas und einem reaktiven Gas betrieben wird und sich dabei elektrisch schlecht leitende Schichten auf Substraten, Kammerwänden und Elektroden bilden. Die pulsförmige Energiezuführung kann dabei sowohl unipolar zu einer kathodischen Elektrode und einer isoliert gegen Masse angeordneten oder auf Masse liegenden Gegenelektrode erfolgen oder auch bipolar zu alternierend kathodisch bzw. anodisch geschalteten Elek­ troden erfolgen.

Beispielsweise beschreibt die DD 252 205 A1 eine Zerstäu­ bungseinrichtung zur Vakuumbeschichtung von Substraten, bei der mindestens zwei Elektroden aus dem zu zerstäuben­ den Material elektrisch wechselweise als Kathode und Anode einer Gasentladung geschaltet sind. Dabei kann die Energie als sinusförmige Wechselspannung zugeführt werden.

Die DE 37 00 633 C1 gibt ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten unter Nutzung eines Gleichspannungsplasmas an, bei dem die Energiezuführung für die Glimmentladung mit periodisch wiederholten Gleichstromimpulsen erfolgt. Die Erzeugung der Gleichstromimpulse erfolgt mit einer entsprechenden Impulsstromquelle.

Bei einem Verfahren zum Betreiben von Magnetronentladungen nach der DE 197 02 187 A1 wird die Energie für mindestens zwei Magnetron-Elektroden derart zugeführt, dass minde­ stens je eine Magnetron-Elektrode Kathode bzw. Anode ist und eine Anzahl n₁ von Gleichstrompulsen in dieser Polung eingespeist wird. Anschließend erfolgt ein Polwechsel mindestens je einer Magnetron-Elektrode, und es wird eine Anzahl n₂ von Gleichstrompulsen in dieser Polung einge­ speist. Die Anzahlen n₁ und n₂ der Gleichstrompulse kann gleich oder ungleich sein und wird typischerweise konstant gehalten.

Bei allen bekannten pulsförmigen Energiezuführungen zur Ausbildung eines Niederdruckplasmas wird, auch bei einer Variierung der jeweiligen Anzahl von Gleichstrompulsen innerhalb einer konkreten Anoden-Kathoden-Polung, grund­ sätzlich eine spezifische Periodizität der Energieein­ speisung in die Gasentladung eingestellt. In irgendeiner Farm verläuft die nachfolgende Periode entsprechend einer vorhergegangenen Periode ab.

Derartige Periodizitäten führen aufgrund der komplexen Impedanz eines Plasmas regelmäßig zu sogenannten Plas­ maschwingungen mit teilweise erheblichen Rückwirkungen auf die eingesetzten Energiequellen. Besonders Halbleiter­ schaltungen können leicht zerstört werden. Die Rückwirkun­ gen treten besonders bei Plasmaentladungen mit hohen Energien auf. In der Folge müssen erhebliche technische Aufwendungen, z. B. mit aufwendigen Schutzschaltungen, betrieben werden, damit die elektrischen Bauelemente den entsprechenden Belastungen standhalten.

Die Plasmaschwingungen haben dabei ihre Ursache im kom­ plizierten ohmschen, induktiven und kapazitiven Verhalten des Plasmas mit spezifischen Eigenfrequenzen. Dieses Verhalten des Plasmas hängt ursächlich mit dem Auslöseme­ chanismus für Ladungsträger, den Spezifika der elektri­ schen und magnetischen Felder in der Gasentladung und zahlreichen weiteren Parametern zusammen und wird gegen­ wärtig noch nicht ausreichend verstanden. Weitere Aus­ wirkungen von Plasmaschwingungen sind die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen und die Einkopplung starker elektromagnetischer Störungen in Meß-, Steuer- und Regel­ systeme der Plasmaanlagen wie auch benachbarter Anlagen. In bestimmten Frequenzbereichen können stehende Wellen entstehen, die zu einer sehr ungleichmäßigen Plasmadichte­ verteilung und damit zu erheblichen Mängeln des Prozesses führen. Da die spezifischen Eigenfrequenzen von den Pro­ zeßparametern, Eigenschaften von Gaseinlaßsystemen, den verwendeten Regelkreisen für Energie und Gas und weiteren, noch unerforschten Einflußgrößen abhängen, ist es in der Praxis in der Regel nicht möglich, die Schwingungsvorgänge durch eine gezielt ausgewählte periodische Energiezufüh­ rung zu verhindern.

Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur pulsförmigen Energiezuführung für die Ausbil­ dung eines Niederdruckplasmas anzugeben, welches das Auftreten von Plasmaschwingungen verringert, wodurch der technische Aufwand für die Energiebereitstellung bzw. Energieeinspeisung verringert und die Mängel des Standes der Technik überwunden werden können. Des weiteren be­ trifft die Erfindung eine Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens sowie die Anwendung des Verfahrens und/oder der Einrichtung.

Die Erfindung löst die Aufgabe für das Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkma­ le. Für die Einrichtung wird die Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Anwendungen werden in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.

Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die Dauer der einzelnen Ein- und/oder Aus-Zeiten der Pulse im Ver­ lauf der Zeit aperiodisch gesteuert wird, d. h. jede Peri­ odizität der Pulsung der Energiezuführung für das Nieder­ druckplasma wird unterbunden. Damit erfolgt die pulsspezi­ fische Zündung der Gasentladung zeitlich in stochasti­ schen, völlig unterschiedlichen Zeitabständen und/oder die Brenndauer der Pulse ist stochastisch unterschiedlich lang.

Durch diese verfahrensgemäße Maßnahme ist es in überra­ schender Weise möglich, die Ausbildung der nachteiligen Plasmaschwingungen weitgehend zu verhindern. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um eine unipolare oder bipolare Pulsung handelt und/oder die Schaltung der Elektroden als Anode bzw. Kathode beibehalten oder gewechselt wird.

Vorzugsweise wird jede Puls-Ein-Zeit und/oder jede Puls- Aus-Zeit im Sinne der Erfindung willkürlich festgelegt. Es kann auch zweckmäßig sein, die Zufallsfunktion mit einer mathematisch oder tabellarisch vorgebbaren Funktion so zu überlagern, dass die Werte für die Zeitdauern mit unter­ schiedlicher Wahrscheinlichkeit ausgewählt werden.

Entsprechend Anspruch 2 ist es bereits ausreichend, wenn die Dauer der Puls-Ein-Zeit und der Puls-Aus-Zeit, bei gleicher Größenordnung dieser Zeiten, eine Aperiodizität mit Abweichung der Zeiten vom jeweiligen Mittelwert von plus/minus 20 Prozent gewählt wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen in der Zuordnung eines Zufallsgenerators zu einer der Baueinheiten Stromversor­ gung, Schalteinrichtung oder Steuereinheit, wobei diese Baueinheiten elektronisch in einer Einheit integriert sein können.

Üblicherweise erfolgt die Steuerung der Zeiten mit elek­ tronischen oder software-technischen Mitteln. Beispiels­ weise können die Puls-Ein-Zeit und die Puls-Aus-Zeit durch eine Vorgabe auf einen bestimmten Wert voreingestellt werden und die tatsächliche Zu- bzw. Abschaltung über den Zufallsgenerator verkürzt oder verlängert werden. Es kann auch die Länge der einzelnen Puls-Ein- und/oder der Puls- Aus-Zeit direkt vom Zufallsgenerator bestimmt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbei­ spiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1a und 1b beispielhafte Pulsfolgen. Fig. 2 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Beispielhaft soll in der Einrichtung gemäß Fig. 2 mit zwei Elektroden ein erfindungsgemäßes Verfahren zur plas­ matechnologischen Oberflächenbehandlung eines Werkstückes erläutert werden.

Die Einrichtung nach Fig. 2 weist eine Vakuumkammer 1 auf, die mit einer Pumpeinrichtung 2 evakuiert werden kann. Über einen Gaseinlaß 3 kann ein Trägergas für das Plasma oder ein spezifisches Reaktivgas in die Vakuumkam­ mer 1 eingelassen werden.

Gegenüberliegend sind in der Vakuumkammer 1 zwei Elek­ troden 6 angeordnet. Dabei ist beispielhaft eine der Elektroden 6 von einem Magnetfeld durchsetzt. Derartige Ausbildungen sind z. B. bei Kathoden für das Magnetron­ sputtern üblich. Die jeweils zweite Elektrode dient als Anode.

Das zu behandelnde Werkstück ist in der Fig. 2 als Rohr­ stück 11 dargestellt. Es wird entsprechend seiner Kon­ figuration jeweils auf einer Halterung zwischen den Elek­ troden 6 angeordnet.

Über Zuleitungen 5, die über elektrisch isolierende Strom­ durchführungen 4 durch die Wand der Vakuumkammer 1 hin­ durchgeführt werden, sind die Elektroden 6 an eine Gleich­ stromversorgungseinrichtung 7 angeschlossen. Der Gleich­ stromversorgungseinrichtung 7 ist eine steuerbare Schalt­ einrichtung 8 zugeordnet, die die Elektroden 6 im Ver­ fahrensablauf alternierend als Anode bzw. Kathode schal­ tet. Die Zuführung der Energie erfolgt pulsförmig. Die ein­ zelnen Schaltvorgänge der Schalteinrichtung 8 werden von der Steuereinheit 9 ausgelöst. In den Puls-Ein-Zeiten wird die Energie zu den Elektroden 6 zugeführt und in den Puls- Aus-Zeiten werden die Elektroden 6 kurzgeschlossen.

Weiterhin bewirkt die Schalteinrichtung 8 die Umschaltung der Stromrichtung zwischen den Elektroden 6.

Die erfindungsgemäße Einrichtung beinhaltet einen Zufalls­ generator 10, der für jeden Puls einen Sollwert für die Dauer der Puls-Ein-Zeit und für die Dauer der Puls-Aus- Zeit generiert. Entsprechend diesen Sollwerten verwirk­ licht die Steuereinheit 9 im Zusammenwirken mit der Schalteinrichtung 8 und der Gleichstromversorgungsein­ richtung 7 die Dauer der Puls-Ein-Zeit und der Puls-Aus- Zeit für den jeweiligen Puls.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben. Die plasmachemischen Oberflächenbehandlung des Werkstückes 11 erfolgt in einer Atmosphäre aus einem Gasgemisch aus Argon und Sauerstoff, welches über den Gaseinlaß 3 in die Vakuumkammer 1 bis zu einem Druck von 0,3 Pa eingelassen wird.

Die Plasmabehandlung soll in einem Niederdruckplasma mit hoher Stabilität und lokaler Gleichförmigkeit erfolgen.

Die Energieeinspeisung für die Ausbildung einer magnet­ feldverstärkten Glimmentladung erfolgt pulsförmig. In Fig. 1a ist die Folge der Pulse für eine unipolare puls­ förmige Energiezuführung dargestellt.

In Fig. 1b ist eine bipolare pulsförmige Energiezuführung dargestellt, die alternativ möglich ist.

Die Energiezuführung erfolgt jeweils während der Puls-Ein- Zeit t_EIN, während in der Puls-Aus-Zeit t_AUS keine Ener­ giezufuhr erfolgt. In der Puls-Aus-Zeit t_AUS werden beide Elektroden 6 mit einem Schalter kurzgeschlossen, oder wenigstens eine der Elektroden 6 wird von der Energiezu­ führung getrennt.

Die tatsächliche Dauer der Puls-Ein-Zeiten t_EIN und der Puls-Aus-Zeiten t_AUS der Entladung gemäß den Fig. 1a bzw. 1b wird erfindungsgemäß nach einem willkürlichen Zufallsprinzip eingestellt.

Dazu werden die aktuellen Zeiten für die Dauer der Puls- Ein-Zeit t_EIN und der Puls-Aus-Zeit t_AUS jeweils mit minimalen und maximalen Sollwerten verglichen. Die Puls- Ein-Zeit (t_EIN)_i für den Puls Nummer i nach dem erstmali­ gen Einschalten in Fig. 1a wird beispielsweise festge­ legt, indem aus einem vorgegebenen Wertesatz von N Puls- Ein-Zeitdauern (T_Ein)_i, (mit n = 1 . . . N) durch ein Zu­ fallsverfahren eine Zahl Z zwischen 1 und N ausgewählt wird und die Zeitdauer (T_ein)_n=z als Wert für die Puls- Ein-Zeit (t_ein)_i festgelegt wird. Weiterhin wird die Dauer der Puls-Aus-Zeit (t_AUS)_i für den Puls Nummer i nach dem erstmaligen Einschalten der Entladung nach einem will­ kürlichen Prinzip festgelegt, indem aus einem vorgegebenen Wertesatz von M Werten (T_AUS)_m (mit m = 1 . . . M) durch ein Zufallsverfahren eine Zahl Y zwischen 1 und M ausgewählt wird und die Zeitdauer (T_AUS)_m=y als Wert für die Puls- Aus-Zeit (t_AUS)_i festgelegt wird.

Dieser Vorgang wird für jeden einzelnen Pulsvorgang wie­ derholt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Steuerung der einzelnen Zeitdauern ergibt sich ein aperiodischer Puls­ vorgang mit überraschend sehr positiven Auswirkungen auf die Stabilität der Plasmaentladung und die Verhinderung bzw. drastische Verringerung von Plasmaschwingungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in entsprechender Weise bei einer unipolaren Energiezuführung nach Fig. 1a wie bei eine bipolaren Energiezuführung nach Fig. 1b angewendet werden. Die Funktion der zwei Elektroden 6 als Katode bzw. Anode der Gasentladung wird bei der bipolaren Energiezuführung im Zeitverlauf entsprechend Fig. 1b gewechselt. Dieser Wechsel kann sowohl regelmäßig vor­ genommen werden als auch - mit größerem Vorteil - nach einer jeweils zufällig gewählten Anzahl von Pulsen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das be­ schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

So ist es naheliegend, dass die Erfindung im wesentlichen bei allen Plasmaprozessen eingesetzt werden kann. Beson­ ders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung bei der Abscheidung dünner Schichten mit einem Verfahren bzw. einer Einrichtung zum Magnetronsputtern in reaktiver Atmosphäre.

Claims (7)

1. Verfahren zur pulsförmigen Energiezuführung für ein Niederdruckplasma, welches zwischen mindestens zwei Elektroden brennt, die als Kathode bzw. als Anode geschaltet werden, und die Energiezuführung für die Dauer einer Puls-Ein-Zeit erfolgt und während einer Puls-Aus-Zeit unterbrochen wird, dadurch gekennzeich­ net, dass die Dauer der Puls-Ein-Zeit und/oder die Dauer der Puls-Aus-Zeit aperiodisch nach einem will­ kürlichen Zufallsprinzip festgelegt wird bzw. werden, wobei die Dauer beider Zeiten zwischen 0,5 Mikrosekun­ den und 500 Mikrosekunden gewählt wird.

2. verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Dauer der Puls-Ein- und/oder Puls-Aus- Zeit, bei gleicher Größenordnung dieser Zeiten, eine Aperiodizität mit Abweichung der Zeiten vom jeweiligen statistischen Mittelwert von maximal plus/minus 20% gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schaltung der Elektroden als Anode bzw. Kathode im Zeitverlauf beibehalten oder gewechselt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechseln der Schaltung der Elektroden als Anode bzw. Kathode nach einer zufällig gewählten An­ zahl von Pulsen erfolgt.

5. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Gasentladungs­ raum, mindestens zwei Elektroden, einzelnen oder inte­ grierten Baueinheiten für die Stromversorgung, einer Schalteinrichtung und einer Steuereinheit sowie Mit­ teln zur Zuführung der Energie an die Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteinrichtung (8) oder der Steuereinheit (9) ein Zufallsgenerator (10) zugeordnet ist, der die Dauer einer Puls-Ein-Zeit und/oder die Dauer einer Puls-Aus-Zeit nach einem willkürlichen Zufallsprinzip beenden oder festlegen kann.

6. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder einer Einrichtung nach Anspruch 5 für ein Verfahren zur Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem Substrat mit einer vorzugsweise magnetfeldbeein­ flußten Gasentladung in einer inerten oder reaktiven Atmosphäre.

7. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder der Einrichtung nach Anspruch 5 für ein Verfahren zur plasmatechnologischen Oberflächenbehand­ lung eines Substrates mit einer vorzugsweise magnet­ feldbeeinflußten Gasentladung in einer inerten oder reaktiven Atmosphäre.