DE2022957A1 - Hochfrequenz-Spruehvorrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Ss sind ilochfrequenz-Sprülivorrichtungen bekannt, )j: eine Elektrodenatruktur auf einem durch iifilbstvor.joM erhaltenen negativen Gleichst rompotential relativ ;ir ge^anüberl.iegfiiiden Trägerelektrode sehwianen konnte, d? ; fiier-Jot war. Gegenstände, die durch frühen-plattiert vertu tio'¹ lter», wurden auf der geerdeten Trägerelektrode angeordnu;, und positive Ionen,, die in der Plasmaentladung erzeug*'; v>rden. bombardierten das Targetmaterial_§ das in der ilähe ler selbst vorgespannten Elektrode angeordnet war, um ein Verfipruhi-ä des Targetmaterial β auf die Gegenstände horvorzunue.{ , il U: auf der Trägertischelektrode angeordnet v/aren. Vein eine solche Vorrichtung mit nennenswerten Verlustleistungen iü der HP-Entladung, beispielsweise 2_P5 M" betrieben -wurö. 2, ergab sicn eine erhebliche Erhitzung der Gegenstände aul' den: TrägertLsoh« Genauer gesagte es v-mrä® sogar festgestellt, daß_v-wenn gewisse i'rägerelePiantßj, bsiepiels??©ise Silissium, nit bestimmten StdifiSiip b©ispi@lsv/eise Qolü oder Kupfer, plattiert wurden, eine zu stark© BthXtzuMg der zu plattierenden Gegenstände eintrat, die 356⁰O überschritt, so daß beim Niederachlagen wn Gold sioh ein© Legierung des Goldes mit dem Träge?'material ergab» (liter© Anmeldungen P 17 65 009»8§ P 1? 65 933.5 und ■ P 17 90

Diese bekanntes V©rriOrtungen rnlnä %vi&f "besonaers brauchbar zum-Sprühplattieren'fon vielen GeTUtQn₉ bei denen erhebliche Oberfläehent©mp©ratur©a wälirend d©a Plat ti ©ress zugelassen v/erden können₈ es besteht j@doe& ein Bedarf für Hochfrequenz-SprühvorrichtiiHg@ap bei denea di© Temperatur äes Trägers unterhalb einer gewissen Temperatur gehalten werden kornn^, bei der eine !©gienmg gwiseiaen der anfgesprlilitea Sage and- dem plattierten Obtrfläeliemiaterial erfolgt. Sas Fernhalten der

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von den Trägern ist schwierig und ist bei praktisch nördlichen Leistungspegeln nicht erfolgreich gewesen.

<JusuniE;eiifa88unß der Erfindung

Aufgabe der Erfindung io-t es also, eine verbesserte Hochfrequenz-Sprühvorrichtung verfüg" ar zu machen.

ErfSndungsgenäß. v;ird eine Hochfrequenz-Induktivität zwischen die Tiiigertiechelektrode und Erde geschaltet, während die gegenüberliegende Targetelektrodenstruktur eine selbst erzeugte (Πeichvorspannung annehmen kann, so daß die Induktivität dazu dient;, die iSrhitzung der zu plattierenden Gegenstände herabzusetzen, die von der Trägerelektrodenstruktur getragen werden.

\.oitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dor folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es neigen:

Flg., 1 schematisch eine Hochfrequenz-üprüfvorrichtung mit Merkmalen der Erfindung;

Fig, 1A eine abweichende Ausführung für den in Fig. 1 mit der Linie 1A-IA umschlossenen Teil der Schaltungsanordnung;

Fig, 2 schematisch eine andere Ausführungsform einer Sprühvorrichtung mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 3 schematisch eine v/eitere Ausführungsform einer Sprühvorrichtung mit Iierkmalen der Erfindung.

In Fig. 1 let schematise*! eine Hochfrequenz-SpriÜivorrichtung mit Mc:'-:raalen der Erfindung dargestellt. Kurz gesagt, die HF-Sprühvorrichtung 1 weist eine Vakuumglocke 2 auf, die eine • evakuierbare Kammer bildet, die in Gasverbindung mit einem

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Vakuumsystem 3 steht, das dazu verwendet wird, die Vakuumglocke auf einen geeigneten Betriebadruck von beispielsweise 2 2: 10 Torr, zu evakuieren. Ein geeignetes ionisierbares Gas, beispielsweise Argon,wird als Füllung mit einem Druck von 5 χ 10 ^J Torr für die Vakuumglocke 2 verwendet, so daß eine intensive Plasmaentladung in dieser erhalten werden kann. Zwei HP-Elektroden 4 bzw. 5 sind in der Vakuumglocke 2 abgestützt; vorzugsweise werden flache Plattenstrukturen verwendet, bei epi ejlsweise aus Kupfer. Eine geerdete Abschirmelektrodenstruktur 6 ist um die Außenseite einer der Elektroden 4 herum angeordnet. Eine geerdete UP-Abschirmung 7 ist außerhalb der Oberfläche der Vakuumglocke 2 angeordnet, um das Entweichen von Hochfrequenzenergie aus der Vakuumglocke 2 zu verhindern *

Ein HF-Generator β, der eine geeignete Hochfrequenz von beispielsweise 13,56 MKz mit einer relativ hohen Ausgangsleistung von beispielsweise 2,5 kW liefert, ist an die Elektrode 4 über einen Impedanzanpassungstransformator 9 und einen variablen Koppelkondensator 11 von beispielsweise 10 bis 300 pF angeschlossen. Ein zweiter variabler Kondensator 12 von beispielsweise 10 bis 300 pF ist zwischen die Elektrode 4 und Erde geschaltet, um den HF-Generator 8 an die Impedanz der HF-Ent1adung anzupassen, die im Bereich zwischen den Elektroden 4 und 5 erzeugt wird. Die Kondensatoren 11 und 12 sind zur Impedanzanpassung einstellbar und dienen dazu, die Elektrode 4 gleichstrommäßig gegen Erdpotential zu isolieren, so daß die Elektrode 4 im Betrieb eine Gleichspannung unabhängig von Erdpotential annehmen kann.

Die Elektrode 5 bildet einen Trägertisch, auf den Gegenstände 13 angeordnet werden, die plattiert werden sollen. Die zu plattierenden Gegenstände 13 können leitend oder nicht leitend sein. Ein Targetmaterial 14 ist in der Nähe der Targetelek-

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trode 4 angeordnet, um mit Ionen "bombardiert zu werden, die innerhalb des Plasmaentladungsbereichs zwischen den Elektroden 4 und 5 erzeugt werden, um ein Versprühen des Targetmaterials 14 auf die zu plattierenden oder zu beschichtenden Gegenstände 13 hervorzurufen. Das Targetmaterial H kann leitend oder nicht leitend sein. Typische Targetmaterialien sind Gold,»Kupfer, rostfreier Stahl, Tonerde, Glas und viele andere Materialien.

Die Vorrichtung 1 nach Pig. 1 kann in zwei Betriebsarten be- ' trieben werden, je nach den elektrischen -Anschlüssen* die für die Elektroden 4 und 5 eingeschaltet werden. Genauer gesagt, zwei Schalter 15 bzw* 16, die wenigstens zwei Sehaltstellungen haben, sind mit einer mechanischen Verbindung 17 miteinander gekuppelt. In einer mit I bezeichneten ersten Schaltstellung verbinden die Schalter 14 bzw. 15 die obere oder Targetelektrode 4 Über Schalter 15 mit einem schwimmenden, offenen Anschluß 18, während die Trägertischelektrode 5 geerdet ist* Das ist die übliche bekannte HP-Sprüh-Plattier-Schaltung. Im Betrieb liefert die über den HE¹ -Elektroden 4 und 5 stehende HF-Energie eine hochfrequente Plasmaentladung im Bereich zwischen den Elektroden 4 und 5» so daß sich eine Plasmaentladungszone 19 bildet» In der Plasmaentladungszone 19 befinden sich etwa soviele positive Ionen wie negative Elektronen, so daß die Plasmazone elektrisch neutral ist und ein relativ niedriges Potential gegen Erde annimmt, .beispielsweise plus 100 Volt, je nach dem in der Entladung verwendeten Gas und dem Druck der Entladung. Die Plasmaentladungszone 19 reicht nicht bis zu den Oberflächen der Elektroden 4 und 5. Geim er gesagt, es wurde festgestellt, daß eine Dunkelraumschicht unmittelbar in der Nähe der Innenflächen der Elektroden 4 und 5 entsteht, deren Stärke in der Nähe der Targetelektrode 4 erheblich größer ist♦

In Gegenwart der HP-Plasmaentladung nimmt die Targetelektroden-

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struktur 4» die auch das Targetmaterial 14 einschließt, renn. diesea leitend ist, eine negative Gleichspannung an, die et v/a gleich der Größe des Mittelwertes der Spitae-Jpitze-Amplitude der HP-Epannung über den Elektroden 4 und 5 ist. ILeae relativ große ^üleichvorspannung, die sich an der Elektrode -S-bildet, ist auf die hohe Beweglichkeit der Elektronen relativ zu der der Ionen zurückgeführt worden. Während eires Betrlabszyklus werden deshalb mehr Elektronen vor der Elektrode 4 während der positiven Halbwelle angezogen als während der negativen Halbwelle Ionen angezogen v/erden, ε ο daß die negative Ladung sich auf der Elektrode, einschließlich der Targetelektrode, wenn diese leitend ist, aufbaut. Jaraus ergibt sich, daß die Elektrode 4 und das Target 14, wenn es leitend ist, ein großes negatives Gleichpotential gegenüber dem Plasma annimmt, dieses Potential liegt üblicherweise im Bereich von ~1kV bis -3 kV und ist abhängig vom Gas» das zur Bildung der Plasmaentladung verwendet wird, und dem Druck der Entladung.

Positive Ionen innerhalb der Ent ladungszone 19 werden über die dunkle Hülle beschleunigt und bombardieren das Target 14 mit einer Energie entsprechend der Gleichvorspannung, nämlich typischerweise etwa 2,3 kv*. Dadurch ergibt sich ein Versprühen des Targetmaterials. Das versprühte ifeterial tritt durch die Entladungszone 19 hindurch und trifft auf die zu plattierenden Gerate 13, die auf der gegenüberliegenden Trägertischelektrode 5 angeordnet sind.

Wenn die positiven Ionen das Targetmaterial 14 bombardieren, lösen sie nicht nur Targetmaterial heraus, sondern stoßen auch Sekundärelektronen entsprechend dem Sekundäremissionsverhältnis des Targetmaterials aus. Diese Sekundärelektronen "sehen" die HF-Spannung als über das Selbstvorspannungspotential Überlagert an und unter gewissen Phasenwinkeln der HF-

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■ 'pa; ix ufig ^l!3eiien" sie erhebliche Beschleunigungsspannung en, die diepe Sekundürelektronen durch die neutrale Plasmaentladung :-3ur l'vägertineiielektrode 5 beschleunigen. Da die Entladungs-ζοίΐβ auf einem relativ niedrigen Druck arbeitet, beiöpiels- ■'-iii-ti 1 χ "¹O Torr bis '; χ 10 - Torr ist die -r.it ti ere freie V-oM-Elnse' de-.' Elektronen Größenordnungsinässig güeich den typirciiiJii Abmessungen dea evakuierten üyßtei&s, und doshalb passiert &iη (,roßer Bruchteil der beschleunigter: Ljekundärelektronen durch di e -jSn-tlaöung und trifft die Plattierung, nie auf den Ge..-rnatänden ¹ '5 niedergeschlagen ist, so daß sici eine ur.er-A-ijiii.oht-e ^v,'.'- rr.ung der Plattierung durch Sekundärelektronenbonbardieru;;, ergibt.

Dai***iberMna"i·-. sin-: positive Ionen in der PlasmasiTe ¹9 vr rhaniien.' Da .ie Plasmasone auf einem Potential arbeite t, dan et ,.as poBiti-^,¹· gegen Erde ist, d.h.· 100 Volt, wiro ein .ge\.-i£- eer kleiner Bruchteil der positiven Ionen innerhalb der Intlac.ung aus u»r Entladung herausgezogen und gegen die geerdete TrägereiektroIe 5 und die darauf befindlichen Gegenstände 13 r ex/orf en.

In Plattiertetriebsmodus I der HP-Sprühtechnik v/ird also eine Bombardierur;; 4er zu plattierenden Gegenstände 13 durch positive Ionen und elektronen erhalten, üs \nirde festgestellt, daß eine gewisse Bombardierung der zu plattierenden Oberfläche während äer Anfangsphase des Plattiervorganges erv.iinscht ist. Bs wird angenommen, daß diese Bombardierung der Oberfläche dazu dient, die Adhäsion zwischen der Plattierung und der zu plattierenden Oberfläche zu vergrößern, indem Oberflächenverunreinigungen entfernt vierden oder Oberflächendefekte gebildet werden, die als Kernplätze für das Plattieren dienen. In einigen Pellen ist es jedoch während der Hauptzeit der Plattierzeit und insbesondere während des letzten Teils der Plattierzyklus erwünscht, keine erhebliche Bombar-

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dieruiig der Plattierung, weder durch Elektronen noch durch Ionen zu erhalten, da diese Bombardierung eine erhebliche Überhitzung des aufplattierten Films verursachen kann und auch in einer Zerstörung dee Trägers oder der Oberfläche ergeben kann, auf die die Plattierung niedergeschlagen ißt. Durch solche Überhitzungserscheinungen können niedrige Heflektion, Filmsprunge und Haarrisse der Plattierung entstehen, in einigen Fällen sogar ein Abblättern.

Außer daß die zu plattierenden Gegenstände 1-3 mit Elektronen und Ionen bombardiert werden,, werden diese auch durch HF-Erwärmung erhitzt, durch Infrarotheizung von. der Glimmentladung, und durch Bombardierung der zu plattierenden Oberfläche mit dem Spriihmaterial, das mit etwa 300 eV Energie aufprallt.

Es wurde festgestellt, daß die unerwünschte Erhitzung der zu plattierenden Oberfläche erheblich reduziert werden kann, indem die Schalter 15 und 16 in die mit II bezeichnete Betriebsart umgeschaltet werden. In dieser Betriebsart ist die Elektrode 4 an einen frei schwimmenden Anschluß 22 angeschlossen, so daß die Elektrode 4 in im wesentlichen der gleichen Veise arbeitet, wie oben in Verbindung mit Betriebsart I beschrieben wurde, und eine hohe negative Selbst-Gleichvorspannung hat. Die irägertischelektrode 5 ist jedoch mit Klemme 23 verbunden, die dazu dient, den Trägertisch 5 über Schalter 16 und eine Induktivität 24 mit Erde ζμ verbinden. Die Hochfrequenzinduktivität 24, beispielsweise 84/U H, dient als HF-Drossel. In Betriebsart II ist also die Trägerelektrode 5 gleichstrommäßig durch die HF-Induktivität 24 geerdet. Ks wurde festgestellt, daß die Induktivität 24 dazu dient, die Oberflächentemperatur der zu plattierenden Gegenstände erheblich herabzusetzen. Eine Messung der Leistungsdichte,

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die auf die zu plattierenden Gegenstände auftrifft, wenn Leistung in Modus I über die Elektroden gelegt wird,

ergibt in Betriebsmodus I 0,33 W/cm², und im Modus II 0,16 Ψ/

cm . Eine dauernde Herabsetzung der Temperatur der Trägergegenstände um 20 Prozent wird beobachtet. Eine voll befriedigende Erklärung des Mechanismus, durch den die Induktivität 24 die Temperatur der zu plattierenden Oberfläche herabsetzt, ist noch nicht gefunden worden. Es wird vermutet, daß die Temperatur der zu plattierenden Oberfläche dadurch herabgesetzt wird, daß einer oder mehrere der erwähnten Heizfaktoren, nämlich Elektronenbombardement, Ionenbombardement, HF-Erhitzung, Infrarotheizung oder die.Energie verringert wird, mit der das versprühte Material die zu plattierende Oberfläche bombardiert.

Es wurde festgestellt, daß die Verwendung der Induktivität 24 es erlaubt, Gold auf halbleitende Silizium-Blöcke 13 zu plattieren» wobei die Temperatur der Blockoberfläche, die plattiert wird, unterhalb von 350⁰C bleibt, so daß das Gold nicht mit dem Silizium des halbleitenden Blockes in legierung geht. Insbesondere wurde festgestellt, daß die legierungvon Gold mit dem Silizium nicht eintritt, wenn etwa 40QW,HF-Ener« gie in die Entladung eingespeist wurde und das Gold mit einer Rate von etwa 1000 AE pro Minute pro Kilowatt in die Entladung eingespeister Energie niedergeschlagen wurde.

In Fig. LA ist eine abweichende Ausführungsform der allgemeinen Ausführungsform nach Fig. 1 dargestellt, bei der die Schalter 15» 16 durch eine schwimmende Klemme 28 und einen Sehalter31 ersetzt sind, der die Induktivität 24 zur Erde hin überbrückt. Eine typische HF-SprUhplattierung (Betriebsart I) wird orreiohtt wenn der schalter 31 geschlossen ist und der Trägertiaoh, 5 im Hebensohluß mit Erde verbunden wird. HF-Sprühplattieren mit niedriger Temperatur (Betriebsart II) wird dadurch erhalten» daß der Schalter 31 geöffnet wird, so daß

der zwischeni dem Trägertisch, und Erde fließende Strom durch. die Induktivität 24 fließt.

Dia Verwendung der Schalter 15 und 16 gemäß Pig. 1 oder stattdessen der Anordnung nach Hg. 1A erlaubt es, die Betriebsart der Sprühvorrichtung leicht von der einen zur anderen uinauschalten, entweder zur Vorbereitung eines Plattier/orgaja^s oder während eines Plattiervorgangs.

In Pig ο 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist iia wesentlichen diegleiche wie die nach Pig. 1, nur daß die Target elektrode in swei Elektrodenteiäe 4 und 4' aufgeteilt ist und die HI'--Energie zwischen die Elektrodenteile 4 und 4' über einenTrenntransformator 32 angelegt wird, wobei die Sekundärwicklung des Transformators über die Elektroderiteile 4 und 4' geschaltet ist. Ein Kondensator 33 liegt parallel zur Sekundärwicklung, um die Impedanz der Quelle 8 an die Impedanz der Entladung zwischen den Elektroden 4 und 4¹ anzupassen» Die Vorrichtung nach Pig· 2 kann in den oben beschriebenen Betriebsarten I oder II betrieben werden, indem die Schalter und 16 in der beschriebenen T/eise betätigt werden. Stattdessen kann ein Schalter wie 31 dazu verwendet werden, die Schalter 15 und 16 zu ersetzen» wie oben beschrieben worden ist.

In Pig. 3 ist eine weiter© Ausführung sform der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung nach Pig. 3 ist im wesentlichen diegleiche wie die nach Fig., 1, nur daß die HF-Energie vom Generator 8 an eine HF-Spule 35 gegeben wird, die im . Baum zwischen den Elektroden 4 und 5 angeordnet ist. Bie Vorrichtung nach Fig» 3 kann in den beschriebenen Betriebsarten I oder II betrieben werden» indem die Schalter t5 und 16 in die Stellungen χ bzw* II gebracht werden, wie das in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist, oder in-

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aero f. Lo Schaltung nach Pig. 1A in der beschriebenen Weise verwendet wird.

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Claims (5)

1. Patent ans ρ ruche

   Kochfrequenz-SprUhvorriohtung, bestehend aus einer Elektrodenstruktur und einer Elektrode, die im Abstand von der Elektrodenatruktur angeordnet ist, einer geerdeten Abschirmung, die um die Außenseite der Elektrodenstruktur herum angeordnet ist, und einer Einrichtung, mit der hochfrequente Energie in den Raum zwischen der Elektrodenstruktur und der Elektrode eingespeist werden kann, um eine hochfrequente Plasmaentladung in dem dazwischen befindlichen Bereich zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstromverbindung zwischen der Elektrode und Erdpotential vorhanden ist und eine Hoohfrequenzinduktivität in Reihe mit der Gleichstromverbindung geschaltet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität eine Hochfrequenzdrossel ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstruktur gleichstrommäßig gegen ürdpotential in wesentlichen isoliert ist, so daß die üektrodenstruktur sich in der Gegenwart der Plasmaentladung selbst auf ein negatives Gleichpotential relativ zu Erdpotential vorspannt.
4. 4. Vorrichtung nach ^nepruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine HP-Energie-Quelle zwischen die Elektrodenstruktur und Erdpotential geschaltet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 feie 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstruktur aue zwei voneinander entfernten Elektroden besteht und eine HP-Spannung

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   ober die beiden Elektroden gelegt ist.

   ITorriehtting naeh einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine HF-Spule im Raxm zwischen der Elektrodenstruktur lind der Elektrode angeordnet ist«

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