DE4127505C2 - Einrichtung zur Unterdrückung von Lichtbögen in Gasentladungsvorrichtungen - Google Patents
Einrichtung zur Unterdrückung von Lichtbögen in GasentladungsvorrichtungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Unterdrückung von Lichtbögen nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Gasentladungstechnik ist es oft erforderlich, ein Gas in einen Plasmazustand zu
bringen, ohne daß es zu Bogenentladungen kommt. Beispielsweise dürfen bei der Glasbe
schichtung, wo SiO2 durch Sputtern auf ein Trägermaterial, ein sogenanntes Substrat, auf
gebracht wird, keine Überschläge stattfinden, weil sonst sowohl das Target als auch das
Substrat zerstört werden. Wegen der zahlreichen physikalischen Ursachen, die zu einer
Bogenentladung führen können, ist es extrem schwierig, die Bogenentladung als solche zu
verhindern. Es ist jedoch möglich, die Ausbildung einer Bogenentladung mit hoher Strom
stärke zu unterdrücken.
Besondere Probleme treten bei Sputteranlagen auf, die zwei Kathoden aufweisen und mit
Wechselstrom versorgt werden. Bei diesen Anlagen wechseln die Polaritäten an den
Kathoden bzw. Anoden ständig. Ist für zwei Kathoden nur eine Anode vorgesehen, so
springen eventuell Bogenentladungen fortwährend von einer Kathode auf die andere.
Wie nähere Untersuchungen der Bogenentladungen ergeben haben, führen nicht alle Ent
ladungen zum sofortigen Zusammenbrechen des Isolationsvermögens. Es treten vielmehr
auch Spannungsverläufe auf, bei denen erst einige Millisekunden nach einem ersten Rück
gang der Spannung auf 150 bis 300 V der Zusammenbruch auf die Lichtbogenbrems
spannung erfolgt. Diese in Stufen sich herausbildenden Spannungszusammenbrüche
werden von einfachen Schwingkreisen nicht erkannt, die üblicherweise zum Löschen ein
gesetzt werden. Wegen ihrer langen Brenndauer und ihres damit verbundenen hohen Ener
gieinhalts führen die mehrstufigen Lichtbögen schnell zur Zerstörung der Targetober
fläche.
Bei einem bekannten Kathoden-Lichtbogenbeschichtungsverfahren, bei dem ein Licht
bogen auf ein Target trifft und dort geladene Teilchen herausschlägt, die auf ein Substrat
gelangen, sinkt die Impedanz zwischen den Elektroden, zwischen denen der Lichtbogen
auftritt, sehr stark ab. Um diese Impedanz am Ende eines Bearbeitungsvorgangs wieder zu
erhöhen, ist es bekannt, die aus dem Target herausgeschlagenen Teilchen verstärkt in Rich
tung Substrat durch ein entsprechendes elektrisches Potential abzusaugen (US-PS 4 936 960).
Nachteilig ist indessen bei diesem bekannten Verfahren, daß es nur bei der Licht
bogenbeschichtung sowie bei Gleichstrom zwischen den Lichtbogenelektroden einerseits
und dem Target bzw. Substrat andererseits anwendbar ist. Auch für eine Anordnung mit
zwei Elektroden ist das bekannte Verfahren zur Impedanzerhöhung und damit zur Lö
schung eines Lichtbogens nicht geeignet. Die übliche Methode, Lichtbogenbildungen zu
unterbinden, besteht deshalb darin, die Stromversorgung für eine bestimmte Zeit abzu
schalten.
Weiterhin ist es bekannt, beim Auftreten einer Bogenentladung einer Anlage die geringst
mögliche Energie zuzuführen bzw. die Energiezufuhr ganz zu unterbinden. Dabei soll die
Energiezufuhr solange unterbunden bleiben, bis sich die gesamte Zone um die Bogenent
ladung herum stabilisiert hat (D. S. Schatz, The MDX as a Strategic Tool in Reducing
Arcing, Schrift der Advanced Energy Industries, Inc., 1985). Eine weitere bekannte Maß
nahme, um die Wahrscheinlichkeit der Lichtbogenbildung zu verringern, besteht darin, die
Welligkeit der Energiezufuhr zu vermindern, und zwar über den gesamten Impedanz
bereich. Auch die Verwendung schneller Regeleinrichtungen wurde vorgeschlagen, um die
Abweichungen der Versorgungsspannung vom Soll-Wert schnell anzugleichen (D. S.
Schatz, a. a. O.). Zur Löschung von Lichtbögen wird eine Umschwingschaltung vorge
schlagen, wie sie in der Thyristortechnik üblich ist.
Schließlich ist auch noch eine Anlage zur chemisch-thermischen Behandlung von metalli
schen Werkstücken bei Glimmentladung bekannt, die zwei Elektroden, einen Transforma
tor, einen Thyristor und eine Stromkompensationsbrücke aufweist, um einen Lichtbogen
zu unterdrücken (DE-A 30 07 420). Für die Anwendung in einer Sputteranlage, bei der
mehrstufige Arcs gelöscht werden sollen, ist diese Anlage jedoch nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung zum
Löschen von Lichtbögen in Plasma-Vorrichtungen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch beim Sputtern
von schwierigen Materialien, z. B. von SiO2, hohe Beschichtungsraten möglich sind, weil
der Sputtervorgang nur für sehr kurze Zeit unterbrochen wird. Beim SiO2-Sputtern werden
aus einem Target aus Reinst-Silizium, das sich in einer Argon-Sauerstoff-Atmosphäre von
10-3 bis 10-1 mbar befindet, durch Ionen Si-Atome herausgeschlagen, die sich mit Sauer
stoff zu SiO2 verbinden, das sich auf einem Substrat niederschlägt.
Die Erfindung kann vorzugsweise bei Plasma-Anlagen eingesetzt werden, die mit
Wechselstrom betrieben werden. Sie ist jedoch auch bei Anlagen einsetzbar, die nur eine
Kathode aufweisen und mit Gleichstrom betrieben werden. Der Kathode liegt in einem sol
chen Fall eine separate Anode oder eine als Anode dienende Kesselwand gegenüber.
Auch eine Anwendung der Erfindung auf Dreiphasen-Wechselstrombetrieb ist möglich,
wenn sechs elektronische Schalter mit einer separaten Zündelektronik vorgesehen sind.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die Augenblicksspannung mit
einer Kondensatorspannung verglichen wird und durch die Anordnung eines Zündkreises
gesichert ist, so daß stets der richtige elektronische Schalter geschlossen bzw. geöffnet
wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und
wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Sputteranlage mit einer Thyristoranordnung zum Abschalten einer
Energieversorgung;
Fig. 2 eine Abschaltanordnung mit Feldeffekt-Transistorschalter;
Fig. 3 eine Abschaltanordnung mit GTO- oder Abschaltthyristoren.
In der Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 1 dargestellt, die einen Stutzen 2 zum Evakuieren
der Kammer und einen Stutzen 3 für die Zufuhr von Gasen aufweist. In der Kammer 1
befindet sich ein Substrathalter 4, auf dem ein Substrat 5 angeordnet ist. Das Substrat 5
besteht beispielsweise aus Glas oder ist eine Kunststoffolie bzw. ein Silizium-Wafer aus
der Mikroelektronikfertigung. Oberhalb des Substrats 5 und nebeneinander sind zwei
Elektroden 6, 7 vorgesehen, die jeweils ein Target 8, 9 tragen. Beispielsweise bestehen
diese Targets aus Reinst-Silizium in poly- oder einkristalliner Form. Es sind auch andere
und jeweils verschiedene Materialien für die beiden Targets 8, 9 denkbar. Beide Elektro
den 6, 7 werden aus einer Wechselstromquelle 10 versorgt, wobei sich zwischen dieser
Wechselstromquelle 10 und den Elektroden 6, 7 eine spezielle Schaltungsanordnung 11
befindet. Diese Schaltungsanordnung weist einen mit der Wechselstromquelle 10 verbun
denen Transformator 12 auf, zu dessen Sekundärwicklung eine aus einem Kondensator 13
und einer Spule 14 bestehende Serienschaltung parallel geschaltet ist. Parallel zu dieser
Serienschaltung liegt ein Thyristor 15, der mit seiner Kathode mit der Spule 14 und mit
seiner Anode mit dem Kondensator 13 in Verbindung steht. Die Steuerelektrode dieses
Thyristors 15 ist mit der Kathode einer Diode 16 verbunden, deren Anode mit einem An
schluß einer Primärwicklung 17 eines Transformators 18 gekoppelt ist, dessen Sekundär
wicklung 19 Teil einer Serienschaltung ist, die noch einen Kondensator 20 und eine
Primärwicklung 21 eines weiteren Transformators 22 aufweist. Die Sekundärwicklung 23
dieses weiteren Transformators 22 ist einerseits mit der Primärwicklung 21 und dem Kon
densator 13 und andererseits mit der Anode einer Diode 24 verbunden. Die Kathode dieser
Diode 24 liegt an der Steuerelektrode eines Thyristors 25, dessen Kathode mit der Elektro
de 6 und dessen Anode mit der Elektrode 7 verbunden ist.
Eine Bogenentladung, bei der eine Brennspannung zwischen dem geerdeten Substratträger
4 und den Elektroden 6, 7 von 20 Volt und ein über alle Grenzen ansteigender Strom auf
tritt, wird durch die Schaltungsanordnung 11 im wesentlichen dadurch vermieden, daß die
ser ansteigende Strom durch die Thyristoren 15 und 25 von der Gasentladung abgetrennt
wird und daß durch das Zünden eines Thyristors 15, 25 der Löschschwingkreis, bestehend
aus der Spule 14 und dem Kondensator 13, sicher zum Umschwingen und damit zur
Stromlöschung angeregt wird. Da die Brennspannung der Thyristoren unter 2 Volt liegt, ist
eine sichere Ableitung des Stroms gewährleistet.
Die Bogenentladung besteht aus einem Lichtbogen zwischen definierter Kathode 6 oder 7
und Anode 4, wobei der Strom des Lichtbogens zuerst durch den äußeren Kreis 11 be
grenzt wird. In der Anfangszeit eines Lichtbogens entsteht ein heißer Fleck (= "hot spot")
auf dem Target 8, 9 mit einem diffusen Ende im Plasma. Je früher man diese heißen Flecke
an einem Spannungsrückgang erkennt, desto geringer ist die hineingeflossene Energie und
damit die Wahrscheinlichkeit, daß eine Zerstörung durch Lichtbogenbildung auftritt.
Der Substratträger 4 hat keine galvanische Verbindung zum Sputterstromkreis. Es ist für
das Funktionsprinzip der Erfindung unerheblich, ob der Substratträger 4 an das Gehäuse 1
angeschlossen ist oder nicht, d. h. ob er auf das Schutzleiterpotential gelegt wurde oder ob
er sich durch die Ankopplung an das Plasma auf ein wechselndes Potential ("floating
potential") einstellt. Üblicherweise wird beim SiO2-Sputtern eine direkte elektrische Ver
bindung des Sputterstromkreises mit einem Schutzleiter vermieden. Die Lichtbögen
zwischen den Elektroden 6 und 7 und dem Substratträger 4 sind dadurch nur über Umwege
möglich und entsprechend energiearm.
Bei Wechselstrombetrieb, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, besteht indessen eine Schwie
rigkeit darin, daß die Polarität der Elektroden 6, 7 nach jeder Halbwelle der anliegenden
Wechselspannung wechselt. Deshalb muß zur Lichtbogenlöschung der jeweils richtig ge
polte Thyristor der beiden antiparallel geschalteten Thyristoren 15, 25 gezündet werden.
Dies geschieht dadurch, daß der Spannungszusammenbruch über dem Kondensator 20
differenziert wird und in den beiden Transformatoren 18, 22 in einen Zündimpuls für die
beiden Thyristoren 15, 25 umgewandelt wird. Die Dioden 16 und 24 sorgen im Zu
sammenwirken mit den Thyristoren 15, 25 dafür, daß nur ein positiver Impuls denjenigen
Thyristor zünden kann, der im Augenblick des Spannungszusammenbruchs eine positive
Anodenspannung hat. Die Löschung der gezündeten Thyristoren 15, 25 erfolgt je nach
Zündzeitpunkt entweder durch den Nulldurchgang der Wechselspannung oder dadurch,
daß eine in der Thyristortechnik bekannte Zwangskommutierungs-Schaltung, bestehend
aus der Spule 14 und dem Kondensator 13, durch das Zünden eines Thyristors 15, 25 zum
Umschwingen angestoßen wird.
In der Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung zum Unterdrücken von Lichtbögen dargestellt,
die anstelle von Thyristoren Feldeffekttransistoren als Schaltelemente aufweist.
Mit 26 und 27 ist jeweils eine du/dt-Triggerschaltung bezeichnet, die an der Sekundär
wicklung des Transformators 12 liegt. Diese Triggerschaltungen 26, 27 steuern jeweils
eine Impulsformerstufe 28, 29 an, die pro Lichtbogen einen Einzelimpuls abgibt. Die Im
pulse werden über jeweils einen Anpassungs- und Potentialtrennverstärker 30, 31 auf die
Steuerelektroden von Leistungs-Feldeffekttransistoren 32, 33 gegeben, die zwischen den
beiden Elektroden 6, 7 liegen und mit jeweils einer Elektrode 6 bzw. 7 über eine Diode 34
bzw. 35 verbunden sind. Hierbei sind die beiden Dioden 34, 35, die einen Inversbetrieb der
Transistoren 32, 33 verhindern, antiparallel geschaltet, wobei die Anode der Diode 35 an
der Elektrode 7 und die Anode der Diode 34 an der Elektrode 6 liegt.
Die Triggerschaltungen 26, 27 weisen jeweils einen Operationsverstärker 36, 37, eine Dio
de 38, 39, einen Kondensator 40, 41 und vier Widerstände 42 bis 45 bzw. 46 bis 49 auf.
Die Dioden sind mit ihren Anoden an die Sekundärseite des Transformators 12 und mit
ihren Kathoden an die Verstärker 36, 37 angeschlossen.
In der Fig. 3 ist eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, bei
welcher GTO-Thyristoren als Schaltelemente verwendet sind.
Die Ansteuerschaltungen für die Steuerelektroden 50, 51 der GTO-Thyristoren 52, 53 sind
ähnlich aufgebaut wie die Ansteuerschaltungen für die Steuerelektrode der Feldeffekt
transistoren 32, 33 gemäß Fig. 2. Sie weisen ebenfalls Triggerschaltungen 26, 27 auf, die
allerdings ihre Spannungsimpulse an Impulsformerstufen 54, 55 geben, welche zwei
Impulse erzeugen, von denen der eine negative und der darauffolgende Impuls positive
Polarität besitzt. Diese beiden Impulse dienen zum Zünden und Löschen der GTO-Thyris
toren 52, 53. Zwischen den Impulsformerstufen 54, 55 und den Steuerelektroden 50, 51
der GTO-Thyristoren 52, 53 sind Anpassungs- und Trennverstärker 56, 57 vorgesehen.
Claims (17)
1. Einrichtung zur Unterdrückung von Lichtbögen in Gasentladungs
vorrichtungen, mit zwei Elektroden, die jeweils an einem elektrischen
Potential liegen,
gekennzeichnet durch
- 1. 1.1 eine einzige Spannungsquelle (10), welche die beiden elektrischen Potentiale bereitstellt;
- 2. 1.2 eine Schaltungsanordnung (11) mit
- 1. 1.2.1 einem in eine erste Stromrichtung kurzschließbaren Parallelzweig (15) zur Spannungsquelle (10) und
- 2. 1.2.2 einem in eine zweite Stromrichtung kurzschließbaren Parallelzweig (25) zur Spannungsquelle (10).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle
eine Wechselspannungsquelle (10) ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektro
den (6, 7) einer dritten Elektrode (4) gegenüberliegen und sich zwischen den beiden
Elektroden (6, 7) und der dritten Elektrode (4) ein Plasma ausbildet.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung
(20) zum Erkennen von Lichtbögen vorgesehen ist, welche einen der beiden Parallel
zweige (15, 25) entsprechend der jeweiligen Polarität der gerade anstehenden Wech
selstrom-Halbwelle durchschaltet.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den kurzschließ
baren Parallelzweigen steuerbare Halbleiterbauelemente (15, 25) vorgesehen sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren
Halbleiterbauelemente Thyristoren (15, 25) sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum
Erkennen von Bogenentladungen ein Kondensator (20) ist, der in einem Parallel
zweig zu den Elektroden (6, 7) liegt.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu
dem Kondensator (20) jeweils eine Wicklung (19, 21) von Transformatoren (18, 22) liegt,
deren jeweils andere Wicklung (17 bzw. 23) mit einer Steuerelektrode eines der beiden
Thyristoren (15, 25) in Verbindung steht.
9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den beiden
Thyristoren (15, 25) eine Zwangskommutierungsschaltung vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskommutie
rungsschaltung aus einer Serienschaltung eines Kondensators
(13) und einer Spule (14) besteht.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuer
elektrode eines Thyristors (15, 25) und einer Wicklung (17, 23) eines Transformators (18,
22) eine Diode (16, 24) geschaltet ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halb
leiter Transistoren (33, 34) sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halb
leiter GTO-Thyristoren (52, 53) sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungsvor
richtung eine Sputteranlage ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum
Erkennen von Bogenentladungen eine Triggerschaltung (26, 27) ist, die an der Stromver
sorgung (12) liegt und die Impulse zum Steuern von elektrischen Schaltern (32, 33) abgibt.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse monopolar
sind.
17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse bipolar
sind.
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