DE4117005C2

DE4117005C2 - Verfahren und Anordnung zum Einwirken mit einem Lichtstrahl in einen Entladungsraum

Info

Publication number: DE4117005C2
Application number: DE4117005A
Authority: DE
Inventors: Klaus Wellerdieck; Nicklaus Bosshard; Stefan Rhyner
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1990-06-11
Filing date: 1991-05-24
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2011-05-25
Also published as: DE4117005A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einwirkung mit einem Lichtstrahl einer Quelle in einen Behandlungsraum einer Behandlungskammer zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken und eine Kammer zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken, bei der der Strahl einer Lichtquelle in einem Behandlungsraum der Kammer zur Wirkung gebracht wird.

Verfahren zur Einwirkung mit einem Lichtstrahl in einen Entladungsraum sind beispielsweise bekannt aus:
US 4392 229, die ein Mittel offenbart, welches einen Ringlaser auch bei sehr niedrigen Temperaturen nach dem Anschalten in einer minimalen Zeit in einen Arbeitszustand versetzen kann,
US 48 45 365, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen oder Erzeugen von Elektronen unter Verwendung einer Feldkopplung und des fotoelektrischen Effektes zeigt, wobei eine erste Strahlung im Infrarotbereich linear polarisiert auf das Target eingestrahlt wird, während gleichzeitig eine zweite Strahlung im sichtbaren oder im Ultraviolettbereich auf das Target eingestrahlt wird, derart, dass die gleiche Zone des Targets durch die erste und die zweite Strahlung erreicht wird,
US 4 890 040, die ein Hochleistungsschalternetzwerk zeigt, mit einer Laserfaser, die optisch mit einem Netzwerk gekoppelt ist, einschließlich lichtgesteuerter Glühentladungsschalter, wobei sich optische Faserkabel durch vakuumversiegelte Anschlüsse der Schalter erstrecken, so dass das unfokussierte Laserlicht auf die Blende der Kathode gerichtet wird, um den Schalter zu schließen,
US 4 863 559, die ein Verfahren zum Ätzen von lokalen Titannitritverbindungen offenbart, wobei das verwendete Plasma gezündet werden kann, indem die darin enthaltenen Gase einer Lichtquelle ausgesetzt werden,
US 4 673 456, die eine Mikrowellenvorrichtung zum Erzeugen von Plasma zum Ätzen von Fotolack und Halbleitermaterial offenbart, wobei die Vorrichtung zum anisotropen Ätzen von Halbleitermaterial verwendet werden kann, indem u. a. zwei Plasmaquellen verwendet werden,
"IBM, Technical Disclosure Bulletin", 28 (1986), 10, 4294-4297, welches ein kathodenverstärktes Sputtersystem offenbart, bei dem die Kathode energiereiche Elektronen in das Plasma der Sputtervorrichtung emittiert,
"Laser-induced plasmas for primary ion deposition of epitaxial Ge and Si Films", by D. Lubben et al., 1985, American Vacuum Society,
"Plasma-initiated laser deposition of polycrystalline and monocrystalline silicon films", J. M. Gee et al., Material Research Society Symposium Procedure, Vol. 29 (1984), Elsevier Science Publishing,
"Laser-Plasma Interactions for the Deposition and Etching of Thin-Film Materials", Philip J. Hargis, Jr., Solid State Technology, November 1984,
und aus der EP 0 220 481 A2, die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird und die eine Vorrichtung zur Plasmaverstärkung zeigt, um die Menge von Elektronen in der Plasmaglühregion eines Glühentladungssystems durch Strahlung von Fotonen, wie etwa durch einen Laserstrahl, zu erhöhen, um die Intensität des Glühens für verbesserte Ätz-/Ablagerungsprozesse zu erhöhen.

Bei der Einwirkung mit einem Lichtstrahl, welcher Art auch immer, in einen Behandlungsraum, wie einen elektrischen Entladungsraum für eine DC- oder AC(bis Mikrowellenbereich)-Entladung, generell eine PVD- Behandlung oder auch eine CVD-Behandlung, gegebenenfalls plasmaunterstützt (PECVD), besteht jedoch im Stand der Technik und insbesondere auch bei der EP 0 220 481 A2 das Problem, dass entweder die Lichtstrahlquelle dem Prozess, sei dies einem Abtragungs- oder einem Beschichtungsprozess, ausgesetzt ist oder, sofern die Lichtquelle, wie beispielsweise aus der EP 0 220 481 A2 bekannt, ausserhalb der Kammer angeordnet ist, ein Kammerwandfenster, durch welches der Lichtstrahl dem Entladungsraum zugeführt wird, dem Behandlungsprozess ausgesetzt ist.

Eine abtragende Beeinträchtigung oder eine Beschichtung mit am Werkstück abgetragenem bzw. mit auf das Werkstück aufzubringendem Material ist bei solchem Vorgehen kaum zu verhindern. Dies führt dazu, dass beispielsweise ein Transmissionsfenster sehr rasch seine Transmissionseigenschaften ändert bzw. dass eine Quelle ihr Spektrum, ihre Wirkungsintensität etc. ändert, bedingt durch Behandlungseinwirkung auf teure und nicht leicht ersetzbare Teile.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, Verfahren und Kammern der eingangs genannten Art zu verbessern, was durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 16 erreicht wird.

Zwar sind Geräte, die eine abtragende Beeinträchtigung oder eine Beschichtung mit am Werkstück abgetragenem bzw. mit auf das Werkstück aufzubringendem Material zu verhindern suchen, beispielsweise aus der DE 38 00 680 A1 oder der US 4,887,548 grundsätzlich bekannt.

Bei diesen bekannten Geräten ist die Einwirkung des vorgesehenen Lichtstrahls auf den Entladungsraum indirekt, und zwar in dem Sinne, dass nicht Photonen direkt auf das Prozess- bzw. Entladungsverhalten Einfluss nehmen, sondern durch Photonen des Lichtstrahls erzeugter Photoelektronen, da die direkte Gasanregung nicht ohne weiteres immer möglich ist.

Die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche verlangen daher auch, mit dem Lichtstrahl grundsätzlich Photoelektronen an einer Materialfläche zu erzeugen, gegebenenfalls damit an der selben oder an weiteren Materialflächen Sekundärelektronen und dann diese Elektronen in bezüglich der Einfallsrichtung des Lichtstrahls geänderter Richtung in den Entladungsraum zu lenken und dort zur Wirkung zu bringen.

Zum Zünden einer elektrischen Entladung in einem zwischen Elektroden einer Vakuumbehandlungskammer zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken gelegenen Entladungsraum, bei dem die elektrische Entladung mittels einer DC- oder AC-Quelle, letzteres bis in den Mikrowellenbereich erzeugt wird, werden üblicherweise Glühelektroden (Filaments) oder Zündkerzen im Entladungsraum eingesetzt. Bei Lichtbogenentladungen wird die Zündung des Lichtbogens üblicherweise durch einen mechanisch bewegten Finger realisiert, mittels welchem der initiierende Lichtbogen von einer der Elektroden gezogen wird.

Diese bekannten Zündvorkehrungen weisen folgende Nachteile auf:
Glühelektroden sind, aufgrund ihrer thermischen Trägheit, langsam und bedingen das Vorsehen eines gegebenenfalls prozessfremden Materials im Entladungsraum, nämlich des zum Glühen gebrachten Glühelektrodenmaterials.

Das Vorsehen von Zündkerzen behebt wohl das Problem der Langsamkeit, nicht aber dasjenige prozessfremden Materials im Prozessraum. Zudem werden mit Zündkerzen extrem hohe elektrische Felder erzeugt, welche diesbezüglich empfindliche Werkstücke, wie Halbleitersubstrate, beeinträchtigen können.

Das Vorsehen von mechanisch bewegten Zündfingern bei Oberflächenbehandlungen von Werkstücken mittels Lichtbogen ist an sich nachteilig aufgrund des vorzusehenden mechanischen Antriebes und meistens wegen der Beaufschlagung des Zündfingers während des Prozesses.

All diesen bekannten, direkten Zündvorkehrungen ist weiter der Nachteil gemein, dass dazu vorgesehene Teile im Prozessraum auf bestimmtes elektrisches Potential gelegt sind, was zu Problemen führt, die eigens gelöst werden müssen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bezweckt die vorliegende Erfindung, die Probleme bekannter Zündeinrichtungen für elektrische Entladungen in Vakuumbehandlungskammern zu lösen.

Zu diesem Zweck zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren zum Zünden nach dem Wortlaut des kennzeichnenden Teils von Anspruch 2 aus, eine Vorrichtung hierzu nach Anspruch 17.

Durch die vorgeschlagene, optische Zündung wird ein schnelles, potentialunabhängiges, sauberes und störungsfreies Zünden ermöglicht, wobei, hinzukommend und beispielsweise im Unterschied zum Zünden mittels Zündkerzen, eine Zündung in Vakuumbedingungen bis zu Drücken von 10^{- 4} bar möglich wird.

Da das vorgeschlagene Zündverfahren von einer Einwirkung mit einem Lichtstrahl, nämlich dem Lichtblitz in den Entladungsraum, Gebrauch macht, wird auch mit dem Zündverfahren das unter der vorliegenden Erfindung liegende Problem gelöst.

Die Erfindung wird, nach dem Wortlaut von Anspruch 5, in einfacher Art und Weise bevorzugt mittels elektrischer Felder durchgeführt, wobei diese zusätzlich zur Beschleunigung der durch den Lichtstrahl primär erzeugten Photo- bzw. dann erzeugten Sekundärelektronen eingesetzt werden.

Bei erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahren kann das Licht innerhalb der Kammer nach dem Wortlaut von Anspruch 5 erzeugt werden, womit Verluste an Transmissionsfenstern vermieden werden bzw., nach dem Wortlaut von Anspruch 6 ausserhalb der Kammer, womit eine hohe Konstruktionsfreiheit und Zugänglichkeit erzielt wird. Es wird das Licht durch ein dafür transparentes Kammer fenster in die Kammer geleitet, welches, wie erwähnt wurde, erfindungsgemäss der Behandlungswirkung aus dem Prozessraum entzogen wird.

Zur Erzeugung von Photoelektronen wird weiter nach dem Wortlaut von Anspruch 7 vorgeschlagen, und zwar sowohl zum Zünden wie auch zum Erzeugen von Elektro nen, z. B. zur Elektronendichteerhöhung im Prozess raum, dort z. B. zur Erhöhung der Plasmadichte, eine Quelle zu verwenden, die Licht mit ausgeprägtem Spek tralanteil im Bereich von 350 bis 200 nm erzeugt, in einem Bereich, in welchem kostengünstige und verar beitungseinfache Materialien, wie Aluminium, Silber, Gold, Kupfer, Titan, Wismut, ihre Grenzwellenlänge bezüglich Auftreten des photoelektrischen Effektes aufweisen.

Grundsätzlich wird gemäss Wortlaut von Anspruch 8 vorgeschlagen, für die Materialfläche, woran Photo elektronen erzeugt werden sollen, ein Material zu wählen, dessen Grenzwellenlänge oberhalb oder gleich derjenigen ist, in der das Licht einen ausgeprägten Spektralanteil aufweist, damit das Licht die notwen dige Austrittsarbeit der Elektronen aus der Material fläche leisten kann.

Da die Austrittsarbeit für Elektronen aus einem Mate rial von dessen Temperatur abhängt, wird weiter nach dem Wortlaut von Anspruch 11 vorgeschlagen, die Tem peratur der Materialfläche, woran Photoelektronen und/oder von Materialflächen, woran weiter Sekundär elektronen zu erzeugen sind, zu steuern.

Das vorgeschlagene Zündverfahren bzw. "Wirkungsent zug"-Verfahren eignet sich zum Einsatz nach dem Wort laut von Anspruch 12.

Nach dem Wortlaut von Anspruch 13 eignet sich das vorgeschlagene Zündverfahren in Vakuum mit einem Druck bis zu 10^-4 mbar, wo, wie erwähnt wurde, be kannte Zündverfahren weitgehendst versagen.

Eine nach dem erwähnten Verfahren gezündete bzw. be triebene Behandlungskammer ist einerseits in ihrem Aufbau, betrachtet von der Zündeinrichtung, wesent lich einfacher und weist bezüglich Zündschnelligkeit und Störungsgefahr wesentliche Vorteile auf, womit auch extrem feldempfindliche Werkstücke behandelt werden können. Bezüglich der vorgeschlagenen Einwir kung mit einem Lichtstrahl weist eine so betriebene Behandlungskammer gegenüber bekannten den wesentli chen Vorteil auf, dass keine teuren Komponenten, wie Lichtquelle und/oder Transmissionsfenster, nach eini ger Betriebszeit ersetzt werden müssen, sondern dass z. B. nur kostengünstig hergestellte Elemente, prak tisch als Verbrauchsmaterial, zu ersetzen sind, wel che zudem in Abhängigkeit vom durchzuführenden Pro zess, gewählt werden können.

Gemäss Wortlaut von Anspruch 14 wird im weitern ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken vorgeschlagen, in dessen Zuge der Prozess, wie ausge führt wurde, gezündet und/oder auf den in erfindungs gemässer Art und Weise mit Licht eingewirkt wird. Da mit entfallen zündungsbewirkte Behandlungsstörungen am Werkstück einerseits; anderseits wird eine kommerzielle Realisierbarkeit der Oberflächenbehandlung mit Lichteinwirkung, direkt oder indirekt, möglich und damit weiter entwickelte Behandlungsverfahren.

Eine erfindungsgemässe Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einwirken auf den Prozess bzw. die Entladung ist in dem Anspruch 16 spezifiziert, bevorzugte Ausführungsvarianten in den davon abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vakuumbehandlungskammer mit Vorkehrungen zum erfindungsgemässen Zünden der elektrischen Entladung,

Fig. 2 schematisch eine Behandlungskammer zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes mit erfindungsgemäss eingekoppeltem Lichtstrahl,

Fig. 3 schematisch, ohne weitere Darstellung der Vakuumbehandlungskammer bzw. Behandlungskammer, das Vorgehen zur Erzeugung von Photoelektronen, sei dies für das Zünden der Entladung gemäss Fig. 1, sei dies generell zur Einwirkung in den Behandlungsraum gemäss Fig. 2, dargestellt am Beispiel der erfindungsgemässen Zündung,

Fig. 4 in Darstellung analog zu Fig. 3, wiederum am Beispiel der Zündung dargestellt, das Vorgehen zur Erzeugung von Photoelektronen, dann von Sekundärelektronen und zur Umlen kung bzw. Beschleunigung der Elektronen mittels Anlegen elektrischer Felder,

Fig. 5 schematisch im Längsschnitt eine erfin dungsgemässe, bevorzugte Zündanordnung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vakuumbehandlungskam mer 1 dargestellt mit zwei Elektroden 3 und 4, zwi schen welchen eine elektrische Entladung erzeugt wird. Hierzu sind die Elektroden 3 und 4 in bekannter Art und Weise einer Gleichspannungsquelle bzw. einer AC-Quelle 6 zugeschaltet, wobei üblicherweise im Fal le des Einsatzes von AC-Speisung, HF- bzw. Mikrowel lenfrequenzen eingesetzt werden.

Nicht dargestellt, weil dem Fachmann hinlänglich be kannt, sind Evakuierungspumpen, gegebenenfalls Ein lässe für Arbeitsgas, wie Argon, oder, im Falle reak tiver Prozesse, eines im Entladungsraum E reagieren den Gases, ebenso wenig wie Anpass- bzw. Entkopp lungsnetzwerke bei AC-Speisung, Erdungsanschlüsse etc.

Im weiteren ist eine Blitzlampe 7 vorgesehen, welche, in Fig. 1, lediglich zur Erläuterung des Zündprinzi pes vorerst im Entladungsraum E angeordnet ist, was, wie gezeigt werden wird, in dieser Art nachteilig wä re. Die Blitzlampe 7 ist mit einem Zünd- bzw. Speise gerät 9 verbunden. Es handelt sich dabei um eine UV- Blitzlampe, bevorzugterweise mit einem ausgeprägten Spektralanteil im Bereich zwischen 200 und 350 nm.

Solche Blitzlampen sind beispielsweise:
Elektronen-Blitzlampen (mit Xenon gefüllte Hochdruck bogenlampen).

Zum erfindungsgemässen Zünden der AC- oder DC-Entla dung zwischen den Elektroden 3 und 4 - mit 5 ist bei spielsweise auf der Elektrode 4 ein zu behandelndes Werkstück dargestellt -, wird zwischen den Elektroden 3 und 4 mittels der Speisung 6 ein elektrisches DC- oder AC-Feld erzeugt, das mindestens diejenige Feld stärke aufweist, die nachmals zum Betrieb der Entla dung notwendig ist.

Der primär zündwirksame Effekt ergibt sich dadurch, dass die Photonen hγ, wie schematisch dargestellt, der Blitzlampe 7, aufgrund des Lichtspektralanteils der Blitzlampe 7 im erwähnten UV-Bereich, beispiels weise an der einen Elektrode 3 Photoelektronen Pe er zeugen, welche die Entladungszündung bewirken.

Hierzu muss das Spektrum des Lichtblitzes abgestimmt sein auf das Photoelektronen-Emissions-Material, hier beispielsweise der Elektrode 3. Ab einer materialspe zifischen (und temperaturabhängigen) Grenzfrequenz γ_G, die die Elektronenaustrittsarbeit widerspiegelt, kann Licht daran Photoelektronen erzeugen.

Betrachtet man beispielsweise in einschlägigen Tabellen aufgeführte Metalle mit ihren Grenzwellenlängen, so ist ersichtlich, dass bei Einsatz solcher Me talle die Blitzlampe, gepaart mit diesen Materialien, einen massgebenden Spektralbereich im UV-Bereich und insbesondere von 200 bis 350 nm aufweisen muss. Un terstützend kann dabei gegebenenfalls auch die direk te Einwirkung der Photonen hγ auf ein Gas, im Entla dungsraum E für die Zündung wirksam sein.

Nach diesem Prinzip konnten Entladungen, insbesondere HF-Entladungen, bei Kammerdrücken bis hinunter zu 10^-4 mbar zuverlässig und reproduzierbar gezündet werden.

Obwohl das vorgeschlagene Zündverfahren sich insbe sondere zum Zünden elektrischer Glimmentladungen eig net, kann es auch zum Zünden von Lichtbögen einge setzt werden, indem ein vorgesehener Zündfinger nicht mehr in berührenden Kontakt mit einer der Elektroden bewegt wird, um dann den Lichtbogen zu zünden. Es wird zwischen der auf Zündpotential gelegten, nun statischen Zündelektrode, mittels Photoelektronen ein Primärlichtbogen gezündet, der dann seinerseits das Zünden des oder der Betriebslichtbogen zwischen den Elektroden bewirkt.

Ein grosser Vorteil der beschriebenen, optischen Zün dung besteht darin, dass der Lichtblitz in einen be stimmten Bereich des Entladungsraumes zur Wirkung ge bracht werden kann, wobei zusätzlich, wie dem Fach mann ohne weiteres erkenntlich, die nachmals noch zu beschreibende Möglichkeit besteht und vorteilhafter weise auch ausgenützt wird, erzeugte Photoelektronen bzw. Sekundärelektronen gezielt in einen Bereich des Entladungsraumes umzulenken bzw. dorthin zu beschleu nigen. Die so angestrebte Elektronen-Energievertei lung wird z. B. dem grössten Ionisierungsquerschnitt des verwendeten Arbeitsgases angepasst, für Argongas zu ca. 80-120 eV gewählt.

In Fig. 2 ist, wiederum schematisch, eine Behand lungskammer 10 dargestellt. Während es sich bei der in Fig. 1 dargestellten Kammer 1 zur Erläuterung des erfindungsgemässen Zündverfahrens um eine Vakuumkam mer handelt, ist dies bei dem anhand von Fig. 2 zu erläuternden, grundsätzlichen Vorgehen nicht zwingend notwendig. Es kann sich um eine für CVD-Verfahren un ter atmosphärischen Druckbedingungen betriebene Kam mer handeln, weiter um eine unter Vakuumbedingungen betriebene Kammer zur Ausführung eines plasmaunter stützten CVD-Verfahrens, weiter um eine beliebige, be kannte Vakuum- oder Hochvakuumkammer zur Oberflächen behandlung von Werkstücken in CVD- oder PVD-Verfah ren.

Wie die eingangs erwähnten Literaturstellen zeigen, bestehen Bestrebungen, die heute bekannten Oberflä chenbehandlungstechniken der genannten Art durch Ein wirkung von Licht, beispielsweise des Strahls eines UV-Lasers, weiterzubilden. Hierzu muss Licht in den in Fig. 2 beispielsweise zwischen Elektroden 13 und 14 eingezeichneten Prozessraum P eingebracht werden. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, wird von einer Quelle 16, durch ein Transmissionsfenster 18 in der Wand der Kammer 10, ein Lichtstrahl L ins Innere der Kammer 10 eingebracht, darin beispielsweise an einem Reflexionsbereich 20 an der Wand der Kammer 10 re flektiert und erst dann in den Prozessraum P gelenkt. Dadurch wird, im dargestellten prinzipiellen Bei spiel, das Transmissionsfenster 18 vor Prozesseinwir kung geschützt: Es ist der Beschichtung oder dem Ab trag entzogen. Nur der Reflexionsbereich 20 ist dem Prozess ausgesetzt, kann aber, bezüglich eines dicht montierten Transmissionsfensters 18, als eher kosten günstigeres, rasch ersetzbares Gebilde ausgebildet sein.

Während in Fig. 2 der Fall dargestellt ist, in wel chem die Lichtquelle 16 ausserhalb der Kammer 10 mon tiert ist, kann mit der gleichen Umlenktechnik die Lichtquelle 16 auch innerhalb der Kammer 10 vorgese hen werden, und anstelle des Transmissionsfensters 18 wird dann die Lichtquelle 16 selbst durch Umlenkung des Wirkungspfades L-W des Lichtes der Behandlungs wirkung aus dem Prozessraum P entzogen. Es ist hier zu betonen, dass das Verhindern einer Behandlungsein wirkung durch eine Sichtsperre nicht zwingend gewähr leistet ist, sondern dass dies teilweise erst durch Labyrinth-Verbindungen zwischen Prozesskammer und zu schützendem Teil erreicht wird.

Die Wirkung W, mit welcher der Lichtstrahl L gemäss Fig. 2 in den Prozessraum einwirkt, braucht nun kei nesfalls auf der Licht- bzw. Photoneneinwirkung zu beruhen, sondern es werden, beispielsweise zur Erhö hung der Plasmadichte, am Wirkungsreflexionsbereich 20, bevorzugterweise wiederum Photoelektronen er zeugt. Die hierfür vorgeschlagene, prinzipielle Anord nung gemäss Fig. 2 hat den wesentlichen Vorteil, dass das Elektrodenmaterial, beispielsweise das Material einer Targetelektrode 13, prozessspezifisch gewählt werden kann und dabei keine Rücksicht zu nehmen ist auf seine Photoelektronenemissivität, und dass ander seits das Material im Bereich 20 gezielt für die Er zeugung von Photoelektronen gewählt werden kann, wo mit beispielsweise das aus der EP-A-0 220 481 vorge schlagene Verfahren unabhängig von der Wahl des Elek trodenmaterials eingesetzt werden kann und als Photo elektronenlieferant der Bereich 20 eingesetzt werden kann. Hier bleibt aber vorerst die Beeinträchtigungs gefahr von Reflexionsbereich 20 durch den Prozess be stehen. Massnahmen, um dies zusätzlich auszuschlies sen, werden anhand von Fig. 4 erläutert werden.

Dort werden grundsätzlich die erzeugten Photoelektro nen noch zusätzlich durch Anlegen elektrischer Felder gezielt gerichtet bzw. umgelenkt.

Aus gemeinsamer Betrachtung der Fig. 1 und 2 wird er kenntlich, dass das anhand von Fig. 2 grundsätzlich erläuterte Entziehen von Transmissionsfenster 18 bzw. Lichtquelle 16 aus dem Wirkungsbereich des Prozess raumes P - wie dem direkten Sichtbereich, gegebenen falls zusätzlich mit Labyrinth-Verbindung - sich aus gezeichnet dazu eignet, die als Lichtquelle wirkende Blitzlampe 7 von Fig. 1 ebenfalls dem Wirkungsbereich des Entladungsraumes E zu entziehen, womit Beein trächtigungsprobleme der Blitzlampe 7 in der in Fig. 1 dargestellten Anordnung vom mit der Entladung zwi schen den Elektroden 3 und 4 durchgeführten Prozess gelöst werden.

Mithin wird die anhand von Fig. 2 dargestellte Tech nik mit der in Fig. 1 dargestellten kombiniert, d. h. zum Zünden wird z. B. die Blitzlampe 7 als Lichtquelle 16 in Fig. 2 eingesetzt.

In Fig. 3 ist schematisch der Entladungsraum E gemäss Fig. 1 bzw. der Prozessraum P gemäss Fig. 2, bei wel chem es sich, wie erwähnt wurde, nicht zwingend um einen Vakuumraum handelt, dargestellt.

Gemäss Fig. 3 wird, von der Blitzlampe 7, zu anderen Zwecken als zum Zünden einer anderen Lichtquelle 16, Licht hγ auf einen Photoelektronenerzeuger 22 ge sandt. Die am Photoelektronenerzeuger 22 erzeugten Photoelektronen Pe werden mittels eines Beschleuni gungsgitters 24 in den Entladungsraum E beschleunigt und dabei gegebenenfalls umgelenkt. Hierzu ist der Photoelektronenerzeuger 22 und gegebenenfalls eine Ablenkelektrodenanordnung 23 bezüglich des Gitters 24 auf negatives Potential geschaltet, so dass zwischen Gitter 24 und Photoelektronenerzeuger 22 bzw. Ablenk elektrode 23 ein die Photoelektronen Pe beschleuni gendes und umlenkendes, elektrisches Feld erzeugt wird.

Dadurch ist es auch möglich, die kinetische Energie der Photoelektronen zu erhöhen.

Dies ist einerseits, prinzipiell, ein bevorzugtes Vorgehen zur Realisierung der erfindungsgemässen Zün dung, kann aber auch, wenn, wie erwähnt, anstelle der Blitzlampe 7 von Fig. 3 eine kontinuierliche Licht strahlquelle gemäss 16 von Fig. 2 eingesetzt wird, z. B. zur permanenten Einwirkung in den Prozessraum P eingesetzt werden, wobei, durch den Photoelektronen erzeuger 22 und das Gitter 24 die inner- oder ausser halb der Kammer angeordnete Lichtstrahlquelle bzw. das Transmissionsfenster 18 dem direkten Sichtbereich des Prozessraumes P entzogen ist, d. h. damit dem er wähnten Prozess-Wirkungsbereich.

In Fig. 4 ist, wiederum schematisch, und mit der er findungsgemässen Zündvorrichtung als Beispiel, darge stellt, wie, ausgehend von der Photoelektronenerzeu gung nach Fig. 3, zusätzlich Sekundärelektronen er zeugt werden.

Hierzu wird der Lichtstrahl hγ auf den Photoelektro nenerzeuger 22a gemäss Fig. 3 gerichtet, die daran erzeugten Photoelektronen Pe auf einen oder mehrere Sekundärelektronenerzeuger 26a bzw. 26b, um eine Elektronenvervielfachung zu erreichen. Der resultie rende Elektronenstrahl wird durch die Beschleuni gungs- bzw. Umlenkgitteranordnung 23, 24 in den Ent ladungsraum E zum Zünden, bzw. in den Prozessraum P, zur Einwirkung auf den Behandlungsprozess, einge bracht.

Durch die Potentialdifferenzsymbole ΔΦ ist eingetra gen, wie die Potentiale zwischen Gitter 24 und Photo elektronenerzeuger 22a gestaffelt sind, um die Elek tronen Pe, Se in gewünschtem Masse umzulenken und zu beschleunigen.

Da bekanntlich die Austrittsarbeit von Elektronen von der Temperatur der betrachteten Materialphase abhängt, ist es (nicht dargestellt) durchaus möglich, den Photoelektronenerzeuger 22 und gegebenenfalls auch die Sekundärelektronenerzeuger 26 gezielt zu heizen, gegebenenfalls zu kühlen, ersteres beispiels weise mit einer Widerstandsheizung, einem Peltier- Element etc.

Es versteht sich dabei von selbst, dass die Tempera tur durch Vorsehen eines entsprechenden Temperatur fühlers an den Teilen 22 bzw. 26 auf vorgegebene SOLL-Werte geregelt werden kann.

Die Photo- bzw. Sekundärelektronen-Erzeugerflächen werden bevorzugterweise aufgerauht, einerseits um die Licht-(hγ)-Reflexion zu reduzieren, anderseits um durch Flächenvergrösserung die Elektronenausbeute zu erhöhen.

Wie erwähnt wurde, eignet sich das anhand der Fig. 3 und 4 dargestellte Vorgehen sowohl für die Realisie rung der erfindungsgemässen Zündung der elektrischen Entladung in einer Vakuumbehandlungskammer, ebenso zur erfindungsgemässen Einwirkung mit einem Licht strahl in die Prozesskammer oben genannter Art, wobei in beiden Fällen die Lichtquelle, d. h. Blitzlampe bzw. Lichtstrahler, innerhalb oder ausserhalb der entsprechend ausgelegten Kammer, vorgesehen werden kann.

Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die lokale Elektro nendichte der durch das Gitter 24 dem Entladungsraum E zugeführten Elektronen durch Vorsehen magnetischer Felder B erhöht werden. Dies in Analogie zur Elektronendichteerhöhung mittels Magnetfeldern eines Magne trons.

In Fig. 5 ist im Längsschnitt der bevorzugte Aufbau einer Blitzlampe zur Zündung der elektrischen Entla dung in einer Vakuumbehandlungskammer dargestellt, grundsätzlich nach dem in Fig. 3 gezeigten Prinzip aufgebaut:
Eine Blitzlampe 30 ist in einer isolierten Halterung 33 gehaltert. Die Blitzlampe 30 ist von einem als Photoelektronen-Erzeuger wirkenden Zylinder 35 umge ben, welcher isoliert mit Isolationsabstützungen 36 und 37, letztere an der Halterung 33, montiert ist. Aussen ist die Anordnung durch einen Gehäusezylinder 39 umgeben. Den stirnseitigen Abschluss bildet ein Beschleunigungsgitter 41. Bevorzugterweise wird als Material des Zylinders 35 ein Material mit kleiner Austrittsarbeit für Elektronen, wie z. B. Aluminium mit 4,4 eV, Kupfer mit 4,9 eV oder Titan mit 4,5 eV, eingesetzt, wobei bevorzugterweise weiter die durch die Blitzlampe 30 bestrahlte Innenfläche des Zylin ders 35 zur Reduktion von Reflexionen aufgerauht wird, womit auch die photoelektronenemittierende Oberfläche des Zylinders 35 vergrössert wird.

Das Beschleunigungsgitter 41 wird bezüglich des Zy linders 35 auf positives Potential gelegt, beispiels weise geerdet, und der Zylinder 35 auf negatives Po tential V. Dadurch wird das Maximum der Energiever teilung der aus dem Gitter 41 in den Entladungsraum austretenden Elektronen gesteuert, beispielsweise auf ein Maximum bei 80 eV, entsprechend dem optimalen Ionisierungsquerschnitt von Argongas. In dem zwischen Aussenzylinder 39 und als Photoelektronenspender wir kenden Innenzylinder 35 kann, wie gestrichelt darge stellt ist, eine Heiz- oder Kühleinrichtung 43 vorge sehen sein, um die Elektronen-Austrittsarbeit am Zy linder 35 durch dessen Temperatur zu beeinflussen.

Ebenso ist dort der bevorzugte Raum, um gegebenen falls einen Wärmesensor 45 zur Überwachung oder Re gelung der Zylindertemperatur vorzusehen.

Soll der Zylinder 35 nicht nur zur Erzeugung von Pho toelektronen ausgenützt werden, sondern zusätzlich zur Erzeugung von Sekundärelektronen, so kann er, wie bei 47 dargestellt ist, beispielsweise in axiale Ab schnitte unterteilt werden, die auf unterschiedliche, gegen das Gitter 41 hin zunehmend positive Potentiale gelegt werden, so dass an jeweils einem innen liegen den Abschnitt erzeugte Photoelektronen erst an nächstfolgenden Abschnitten Sekundärelektronen erzeu gen, womit längs der dargestellten Anordnung eine Elektronenvervielfachung realisiert wird.

Als Blitzlampe wird beispielsweise eine der folgenden Lampen eingesetzt:

Heimann-Blitzlampen:
DU 8901
DR 7760

die mit maximaler Energie betrieben werden, wie bei spielsweise die Lampe DU 8901 mit 200 Ws etc.

Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung wird entweder vakuumdicht ausgebildet und mit dem Gitter 41 durch die Wandung der Kammer führend montiert oder voll ständig innerhalb der Vakuumkammer. Mindestens das Gitter 41, welches dem Erregungsraum E zugewandt ist und mithin dem Prozess ausgesetzt ist, wird aus einem dem Prozess angepassten Material gefertigt, bei spielsweise, bei einem Beschichtungsprozess, aus dem auf das Werkstück aufgetragenen Beschichtungsmateri al.

Nur das Gitter 41, das die wesentlichen Bereiche der Blitzlampe 30 dem direkten Sichtkontakt vom Entla dungsraum E weitgehend entzieht, wird durch den Pro zess im Entladungsraum E beeinträchtigt und kann als einfach auswechselbares Verschleissteil ausgebildet sein.

Claims

1. Verfahren zur Einwirkung mit einem Lichtstrahl einer Quelle (7, 16) in einen Behandlungsraum einer Behandlungskammer zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken,
wobei der Wirkungspfad (L, W) zwischen Quelle (16) und Behandlungsraum (P) so ausgelegt ist, dass die Quelle oder die Eintrittsstelle (18) des Lichtstrahls (L) in die Kammer (10) ausserhalb von Behandlungsauswirkung wie ausserhalb des direkten Sichtbereiches von Teilen des Behandlungsraumes (P) liegt,
wobei mit dem Lichtstrahl (hγ, L) an mindestens einer Materialfläche (20, 22, 26) Photoelektronen (Pe) erzeugt werden, und
wobei, bezüglich der Einfallsrichtung des Lichts (hγ) auf die Materialfläche (20, 22), Photoelektronen umgelenkt in den Raum (P) eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem der Lichtstrahl in den Entladungsraum nach einem Verfahren zum Zünden einer elektrischen Entladung in einem zwischen Elektroden der Behandlungskammer gelegenen Entladungsraum (E) erzeugt wird,
bei dem zwischen den Elektroden (3, 4) ein elektrisches Feld angelegt wird, das mindestens die zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendige Stärke aufweist,
ein Lichtblitz mit ausgeprägtem Lichtspektralanteil im UV-Bereich im Entladungsraum zur Wirkung gebracht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass mit dem Lichtstrahl (hγ, L) an mindestens einer Materialfläche (20, 22, 26) Sekundärelektronen (Se) erzeugt werden, und
dass, bezüglich Einfallsrichtung des Lichtes (hγ) auf die Materialfläche (20, 22), Sekundärelektronen umgelenkt in den Raum (P, E) eingebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Photo- und/oder Sekundärelektronen (Pe, Se) durch Erzeugung mindestens eines elektrischen Feldes (ΔΦ) umgelenkt und/oder beschleunigt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (hγ, L) innerhalb der Kammer (1, 10) erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (hγ, L) ausserhalb der Kammer (1, 10) erzeugt wird und durch ein dafür transparentes Kammerfenster (18) in die Kammer (10) geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Licht einen ausgeprägten Spektralanteil im UV-Bereich, vorzugsweise im Bereich von 200 nm bis 350 nm aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Materialfläche (22) ein Material gewählt wird, dessen Grenzwellenlänge für die Photoelektronenerzeugung zwischen 350 und 200 nm liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (hγ, L) auf seinem Wirkungspfad auf eine Materialfläche (22, 20) auftrifft, deren Material-Grenzwellenlänge für die Photoelektronenerzeugung oberhalb oder dort liegt, wo das Licht einen ausgeprägten Spektralanteil aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Licht im Raum (E, P) Elektronen (Pe, Se) erzeugt werden und dass die Elektronendichte im Raum (P, E) durch Anlegen eines Magnetfeldes (B) lokal erhöht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Licht an mindestens einer Materialfläche Photoelektronen (Pe), gegebenenfalls weiter Sekundärelektronen (Se) erzeugt werden und die Temperatur der mindestens einen Materialfläche gesteuert oder geregelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer Vakuumkammer, worin ein Arbeitsgas, wie Argon, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Licht (hγ) Elektronen (Pe, Se) erzeugt werden und durch Beschleunigung in einem elektrischen Feld auf eine mittlere kinetische Energie gebracht werden, die im wesentlichen dem maximalen Ionisierungsquerschnitt der Arbeitsgasatome entspricht.

13. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für die PVD- Behandlung von Werkstückoberflächen, gegebenenfalls mit Reaktion eines Gases, bzw. für die CVD-Behandlung, darunter auch die PECVD-Behandlung.

14. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Zünden einer Entladung in Vakuum, bei einem Druck hinunter bis 10^-4 mbar.

15. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken in einer Behandlungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsprozess gezündet bzw. durchgeführt wird nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

16. Kammer zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken, bei der der Strahl (hγ, L) einer Lichtquelle (7, 16, 30) in einen Behandlungsraum (P, E) der Kammer (1, 10) zur Wirkung (W, hγ, Pe, Se) gebracht wird, wobei in der Kammer (1, 10) Umlenkmittel (20, 22, 26, 35) für die Lichtstrahlwirkung (W, hγ, Pe, Se) vorgesehen sind, derart, dass weder Teile der Lichtquelle (7, 16, 30) noch eines gegebenenfalls vorgesehenen Eintrittsfensters (18) für den Strahl (L) in die Kammer (10) der Behandlungswirkung ausgesetzt sind, wie der Sichtverbindung aus Teilen der Kammer entzogen sind, wobei die Umlenkmittel eine Materialfläche (22, 26, 35) umfassen, woran das einfallende Licht (hγ) der Lichtquelle (7, 16, 30) Photoelektronen (Pe) erzeugt, und die, bezüglich der Einfallsrichtung des Lichts (hγ) auf die Materialfläche (20, 22), Photoelektronen umgelenkt in den Raum (P) einbringen.

17. Kammer nach Anspruch 16, die zum Zünden des Blitzes der Blitzlampe (7, 30) eine Vorrichtung zum Zünden einer elektrischen Entladung in einem zwischen Elektroden (3, 4) der Kammer gelegenen Entladungsraum (E) aufweist, welche Vorrichtung eine Blitzlampe (7, 30) als Lichtquelle umfasst, die Licht mit einem ausgeprägten Spektralanteil im UV-Bereich abgibt.

18. Kammer nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht mit einem ausgeprägten Spektralanteil im UV-Bereich abgibt.

19. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Lichtes der Lichtquelle (7, 16, 30) mindestens eine Materialfläche (22, 26, 35) angeordnet ist und die Lampe (7, 16, 30) Licht mit einem wesentlichen Spektralanteil erzeugt, gleich oder unterhalb der Grenzwellenlänge des Materials der Fläche (22, 26, 35) bezüglich Photoelektronen (Pe)-Erzeugung.

20. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Umlenkmittel für die Wirkung des Lichtes von der Lichtquelle vorgesehen sind, die mehrere Materialflächenbereiche umfassen, woran das Licht der Quelle (7, 16, 30) Photoelektronen (Pe) und Sekundärelektronen (Se) erzeugt.

21. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Umlenkmittel für die Wirkung des Lichtes von der Lichtquelle (7, 16, 30) mindestens eine Materialfläche (22, 20, 26, 35) umfassen und dass Mittel zur Steuerung oder Regelung der Temperatur dieser Materialfläche vorgesehen sind zur Einstellung der Austrittsarbeit von Photoelektronen bei einem ausgeprägten Spektralbereich des Lichtes.

22. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Umlenkmittel für die Wirkung des Lichtes von der Lichtquelle (7, 16, 30) mindestens eine Materialfläche umfassen, welche aufgerauht ist und woran das Licht Photoelektronen erzeugt, zur Erhöhung der Photoelektronen (Pe)-Ausbeute.

23. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle an mindestens einer Materialfläche (Pe) Photoelektronen und, gegebenenfalls, Sekundärelektronen (Se) erzeugt und diese zur Wirkung im Entladungsraum bzw. im Raum der Kammer gebracht werden, und dass Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B) vorgesehen sind, um die lokale Elektronendichte im Raum (E, P) zu erhöhen.

24. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Quelle auf mindestens eine Materialfläche gerichtet ist, woran das Licht Photoelektronen (Pe) erzeugt, gegebenenfalls damit Sekundärelektronen (Se), und dass Mittel (23, 24, 35, 41) zur Erzeugung eines elektrischen Umlenk- bzw. Beschleunigungsfeldes für die Elektronen (Pe, Se) vorgesehen sind.

25. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht mit einem wesentlichen Spektralanteil zwischen 200 und 350 nm erzeugt und auf eine Materialfläche aus Metall, wie insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Titan, auftrifft.

26. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampe (30) von einem Hohlkörper (35) im wesentlichen umgeben ist, aus einem Material, aus welchem der ausgeprägte Spektralbereich des Lichtes der Blitzlampe (30) Photoelektronen erzeugt, bevorzugterweise aus Aluminium.

27. Kammer nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (35) einseitig geöffnet ist und eine Elektrodenanordnung (35, 41) zur Erzeugung eines elektrischen Beschleunigungsfeldes für die Elektronen vorgesehen ist.

28. Kammer nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (35, 41) einerseits durch eine Gitteranordnung (41) an der Öffnung, andererseits durch den Hohlkörper (35) gebildet ist.

29. Kammer nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Heiz- und/oder Kühlorgane (43) vorgesehen sind, vorzugsweise ausserhalb angeordnet.

30. Kammer nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmessfühler (45) vorgesehen ist zur Messung der Temperatur des Hohlkörpers (35), gegebenenfalls als IST-Wert- Aufnehmer in einem Regelkreis mit den Organ (43) als Stellglied.

31. Kammer nach einem der Ansprüche 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass im Raum Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, vorzugsweise eines Magnetgleichfeldes (B) vorgesehen sind und dass der Strahl des Lichtes an mindestens einer Materialfläche Elektronen erzeugt, die im Raum zur Wirkung gebracht werden, durch Wirkung des Magnetfeldes lokal mit erhöhter Dichte.