DE4310941B4

DE4310941B4 - Verfahren zum Erzeugen einer Niederspannungsentladung, Vakuumbehandlungsanlage hierfür sowie Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4310941B4
Application number: DE4310941A
Authority: DE
Inventors: Jürgen RAMM; Eugen Beck; Hugo Frei; Albert Zueger; Günter Dipl.-Phys. Peter
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2013-04-03
Also published as: JPH0676773A; US5384018A; DE4310941A1; GB2267387B; GB9310269D0; DE4345602B4; FR2691834A1; FR2691834B1; JP3158158B2; KR930024049A; CH687111A5; GB2267387A; KR100299158B1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer Niederspannungs-Bogenentladung zwischen mindestens einer thermionischen Kathode (3) in einer Kathodenkammer (1) und einer Anode (38, 36) in einer Vakuumbehandlungskammer (11), wobei die Kathodenkammer (1) mit der Vakuumbehandlungskammer (11) über eine als Druckstufe ausgebildete Blendenanordnung (7, 9) mit mindestens einer Bogenaustrittsöffnung (9) verbunden ist, und wobei zur Vakuumbehandlungskammer (11) hin freiliegende Partien (17) der die Bogenaustrittsöffnung (9) umgebenden Wandung einer Funkenbildung in der Vakuumbehandlungskammer (11) ausgesetzt sein können, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenbildung durch eine den Partien (17) zur Vakuumbehandlungskammer (11) hin vorgelagerten Schirm (20) unterdrückt wird, der von den Partien (17) auf Dunkelraumabstand gehalten ist und potentialschwebend betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft

– ein Verfahren zum Erzeugen einer Niederspannungsentladung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1,
– eine Vakuumbehandlungsanlage mit einer Vakuumbehandlungskammer nach dem Oberbegriff von Anspruch 12,
– Verwendungen des Verfahrens.

Für verschiedene Vakuumbehandlungsprozesse ist es bekannt, Niederspannungs-Bogenentladungen einzusetzen. Beispielsweise aus der CH-PS-456 294 oder der CH-PS-551 497, weiter auch der CH-PS-645 137A5 er aus den Aufsätzen
"Ein Produktionsverfahren zur Herstellung dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung im Hochvakuumbereich", F. Gaydou, Sonderdruck aus Vakuumtechnik, Rudolf A. Lang Verlag, Wiesbaden, Heft 7166, S. 161-164, und
"Ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten durch Ionenzerstäubung im 10E – 4 Torr Bereich", F.P. Gaydou, Balzers Aktiengesellschaft, FL-Balzers, aus Sonderdruck aus Mikroelektronik 2, Oldenburg/München-Wien 1967, S. 183-192,
ist es bekannt, zur Erzeugung einer Niederspannungs-Bogenentladung in einer Vakuumbehandlungskammer, letzterer über eine Blendenanordnung eine Kathodenkammer anzukoppeln, worin eine thermionische Kathode angeordnet ist. Die Niederspannungs-Bogenent ladung wird üblicherweise in der Kathodenkammer mit Hilfe einer separaten Zündelektrode gezündet, welche mit Bezug auf die thermionische Kathode auf positives, anodisches Zündpotential gelegt wird.

Nach dem Zünden der Niederspannungs-Bogenentladung, in der Kathodenkammer, wird die Entladung primär zwischen der thermionischen Kathode und einer behandlungskammerseitig angeordneten Anode unterhalten. Dabei kann die behandlungskammerseitig vorgesehene Anode durch mindestens Teile der Innenwand der Vakuumbehandlungskammer (nachstehend auch kurz "Behandlungskammer") gebildet sein, oder es kann eine separate Anodenanordnung in der Behandlungskammer angeordnet und von deren Wandung elektrisch isoliert, deran, dass Behandlungskammer und die erwähnte Anodenanordnung elektrisch getrennt voneinander potentialbeaufschlagt werden können. Eine solche Anodenanordnung kann z.B. durch einen Substratträger gebildet sein.

In gewissen Anwendungsfällen, wie beispielsweise aus der CH-PS-551 497 bekannt, wird die Blendenanordnung elektrisch potentialschwebend betrieben, in anderen, wie beispielsweise aus der CH-PS-456 294 bekannt, ist sie auf das Potential der Behandlungskammerwand gelegt.

Es hat sich gezeigt, dass sich bei einer derartigen Anordnung Funkenentladungen, bekannt unter dem Ausdruck "arcing", insbesondere an Partien der Behandlungskammer-Innenwand ausbilden, und zwar umso ausgeprägter, je mehr solche Partien der Bogenentladung ausgesetzt sind und je höher die elektrische Feldstärke an solchen Partien ist.

Derartige Funkenentladungen bewirken eine Belastung der elektrischen Speisegeräte, die für den Unterhalt der Entladung vorgesehen sind, und ein unkontrolliertes Prozessverhalten, wie Unterbrüche und Verunreinigungen, z.B. durch Gasausbrüche, Abstäuben bzw. Verdampfen von nicht erwünschten Materialien etc. Dadurch kann die Prozessführung gänzlich unmöglich werden. Eine Abstäubung der vom arcing betroffenen Wandungspartien führt bei heiklen Behandlungsprozessen, bei welchen eine kontrolliert hoch reine Behandlungsatmosphäre erforderlich ist, zu intolerabler Kontamination.

Dies führte dazu, dass die Niederspannungs-Bogenentladung, welche an sich für manche Prozesse höchst vorteilhaft wäre, insbesondere wegen der tiefen kinetischen Energie der Ladungsträger in der Niederspannungs-Bogenentladung bei gleichzeitig hoher Ladungsträgerdichte, für manche Behandlungsprozesse, bei denen die erwähnten Kontaminationen nicht tolerabel sind, nicht eingesetzt wurden.

US 5,113,790 A offenbart eine Vorrichtung für die Plasmabehandlung von Substraten, wobei die Plasmaentladung zwischen Kathode und Anode nicht durch Niederspannungs-Bogenentladung, sondern durch Hochfrequenz erzeugt wird und keine als Druckstufe ausgebildete Blendenanordnung zwischen der Kathode und der Behandlungskammer vorhanden ist. Das für Niederspannungs-Bogenentladungen typische Problem der Funkenbildung (arcing) an den der Behandlungskammer zugewandten Wandpartien einer solchen Blendenanordnung tritt somit hier nicht auf.

Aus DE 40 20 158 C2 ist eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten bekannt, die eine mit einer Niederspannungs-Bogenentladung arbeitende Plasmaquelle aufweist. Diese ist aber gegen die Vakuumbehandlungskammer nicht durch eine als Druckstufe ausgebildete Blendenanordnung getrennt. Das vorstehend geschilderte Problem der Funkenbildung an einer solchen Druckstufen-Blende tritt deshalb bei dieser bekannten Vorrichtung nicht auf.

DE 33 30 144 C2 und DE 28 23 876 C2 beschreiben ein Verfahren zum Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipienten durch Beschuss des Heizgutes mit Elektronen aus einer magnetisch gebündelten Niedervolt-Bogenentladung. Die Kathodenkammer steht mit dem Vakuumrezipienten über eine Blendenöffnung in Verbindung. Das Problem der Funkenbildung an den die Blendenöffnung umgebenden Wandbereichen wird in diesen Schriften weder angesprochen noch gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vakuumbehandlungsanlage der genannten Art so auszugestalten, dass eine unerwünschte Funkenbildung im Bereich der als Druckstufe ausgebildeten Blendenanordnung möglichst weitgehend vermieden wird und dadurch die Voraussetzung dafür geschaffen wird, Vakuumbehandlungsverfahren, die mit einer Niederspannungs-Bogenentladung – also einer Niederspannungs-Hochstrom-Entladung – ar beiten auch für solche Behandlungsprozesse einsetzen zu können, welche bezüglich der Behandlungsatmosphäre hohe Anforderung stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren und mit der im Anspruch 12 angegebenen Vakuumbehandlungsanlage gelöst.

Es wurde dabei erkannt, dass die dem arcing meist ausgesetzten Partien der Behandlungskammer-Innenwand um die Blendenanordnung herum situiert sind. Das Vorsehen des erfindungsgemäßen Schirmes verhindert das Auftreten der erwähnten Funken in diesem Bereich. Damit ergibt sich nun die Möglichkeit, ein Verfahren der erwähnten Gattung auch für Prozesse einzusetzen, welche höchsten Anforderungen bezüglich Behandlungsatmosphäre gerecht werden müssen.

Die genannten Probleme bezüglich Funkenentladung entstehen bei den bekannten Verfahren sowohl bei potentialschwebend betriebenen Partien an der Blendenanordnung wie auch, und zwar in noch deutlicherem Maße, wenn die genannten Partien auf Festpotential betrieben werden.

Dank des erfindungsgemäßen Vorgehens wird es nun gemäß Anspruch 2 möglich, diese erwähnten Partien auf Festpotential zu betreiben, was bezüglich der Flexibilität der elektrischen Beschaltung bzw. Potentiallegung von Kathodenkammer, Behandlungskammer sowie von Partien um die Blendenanordnung herum, höchst vorteilhaft ist.

Zusätzlich wird dadurch gemäß Anspruch 3 ermöglicht, die erwähnten Partien um die Blendenanordnung herum als Zündelektrode für die Niederspannungs-Bogenentladung zu betreiben. Hierzu werden sie zum Zünden einerseits und während des Betriebes der Niederspannungs-Bogenentladung andererseits auf unterschiedliche elektrische Potentiale gelegt. Damit wird der Vorteil erwirkt, dass in der Kathodenkammer nicht zusätzlich eine Zündelektrode vorgesehen und elektrisch isoliert durch die Kathodenkammerwand geführt werden muss, sondern dass ohnehin vorgesehene Elemente, nämlich die erwähnten Partien, gleichzeitig auch als Zündelektrode eingesetzt werden können.

Eine höchst einfache Verfahrensvariante ergibt sich dabei gemäß Anspruch 4, indem die erwähnten Partien über ein passives Strombegrenzungs-Schaltelement, wie insbesondere über ein Widerstandselement, gegebenenfalls auch über ein Diodenelement, auf ein Festpotential gelegt werden. Ein Teil des Entladungsstromes bewirkt im Entladungsbetrieb daran einen Spannungsabfall, derart, dass die erwähnten Partien während des Betriebes der Niederspannungs-Bogenentladung bezüglich ihres Zündpotentials auf negativeres Potential gelegt werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Begriff "Potential" im Sinne der Feldtheorie verwendet wird, also bezugslos (Bezug → ∞).

Es ist aber auch durchaus möglich, ergänzend zu dem erwähnten passiven Schaltelement oder stattdessen, die erwähnten Partien als Zündelektrode über eine stromgesteuerte Spannungsquelle, auf ein Festpotential zu legen.

Insbesondere bei der gezielten Festlegung der erwähnten Partien auf vorbestimmte elektrische Potentiale ist es weiter vorteilhaft, dies unabhängig davon realisieren zu können, wie die Wandung der Vakuumbehandlungskammer potentialgelegt bzw. -geführt wird. Hierzu wird vorgeschlagen, die erwähnten Partien von der Wand der Vakuumbehandlungskammer elektrisch zu isolieren.

Weiter werden bevorzugterweise die erwähnten Partien durch die Kathodenkammerwand gebildet. Dies eröffnet insbesondere die Möglichkeit, die die Blendenanordnung bildenden bzw. die mindestens eine eigentliche Blendenöffnung umschließenden Partien als Zündelektrode zu verwenden.

Bei isolierter Montage der Vakuumbehandlungskammer von den erwähnten Partien werden letztere bevorzugterweise auf unterschiedlichem elektrischem Potential betrieben bezüglich der Behandlungskammer-Innenwand. Damit wird ermöglicht, die Bogenentladung nach deren Zünden durch die Blendenanordnung in die Behandlungskammer zu ziehen, auch wenn die erwähnten Partien vorgängig als Zündelektrode beschaltet wurden.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildungsvariante gemäß Anspruch 7 werden Kathodenkammer und Vakuumbehandlungskammer auf unterschiedlichen Betriebsdrucken betrieben, zwischen denen die Blendenanordnung als Druckstufe wirkt. Dadurch wird ermöglicht, insbesondere kathodenkammerseitig einen höheren Betriebsdruck aufzubauen, um eine Gasströmung während des Entladungsbetriebes durch die Blendenanordnung strömen zu lassen, nach Maßgabe der Druckstufenwirkung der Blendenanordnung.

Um eine möglichst gute druckmäßige Entkopplung von Kathodenkammer und Behandlungskammer zu erzielen, wird weiter, gemäß von Anspruch 20 vorgeschlagen, kathodenkammerseitig und/oder behandlungskammerseitig die mindestens eine Öffnung der Blendenanordnung mit einem Rohrstutzen als Strömungswiderstand zu versehen, womit deren Druckstufenwirkung erhöht wird.

Um druckmäßig Kathodenkammer und Behandlungskammer zu entkoppeln wird weiter vorgeschlagen, nach Anspruch 8 vorzugehen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird der erfindungsgemäß vorgesehene Schirm bis unmittelbar um die mindestens eine Öffnung der Blendenanordnung geführt, und es kann dieser Schirm als Rohrstutzen weitergeführt werden, um mit ihm die erwähnte Druckstufenwirkung zu erhöhen.

Es hat sich gezeigt, dass bereits ein Umschließen der erwähnten Partien durch den Schirm, auch beabstandet von der mindestens einen Öffnung der Blendenanordnung, eine ganz wesentliche Verbesserung bezüglich Funkenbildung an der Innenwand der Behandlungskammer ergibt.

Eine Vakuumbehandlungsanlage, welche die eingangs genannte Aufgabe der Erfindung löst, ist im Anspruch 12 angegeben. Auf bevorzugte Ausführungsvarianten richten sich die Ansprüche 13 bis 22.

Wie erwähnt wurde, ergibt sich dank des erfindungsgemäßen Vorgehens die Möglichkeit, Verfahren bzw. Vakuumbehandlungsanlagen der genannten Gattungen erfindungsgemäß für speziell heikle Behandlungsprozesse einzusetzen und insbesondere, gemäß Anspruch 23, zur Behandlung von Werkstücken in der Behandlungskammer mit elektrostatisch und/oder elekt rodynamisch aus der Entladung in der Behandlungskammer extrahierten, monopolaren Ladungsträgern, wie insbesondere für elektronenstimulierte, chemische Reaktionen auf Werkstücken bei hoher Elektronendichte und kleiner Elektronenenergie bzw., gemäß Anspruch 24, für Niedertemperatur-Behandlungsprozesse in und/oder Schichtwachstumsprozesse auf Werkstücken in der Behandlungskammer, wie Homo- und Hetero-Epitaxie-Beschichtungsprozesse.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 in Form eines Blockdiagramms, das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungsanlage bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 schematisch eine bevorzugte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungsanlage,
3 schematisch einen Teilausschnitt des Überganges von Kathodenkammer zu Vakuumbehandlungskammer gemäß 2 in einer weiteren Ausführungsvariante,
4a bis 4e Teilausschnitte des Überganges zwischen Kathodenkammer und Vakuumbehandlungskammer gemäß 2 in weiteren Ausführungsvarianten,
5 qualitativ den Verlauf von Potentialen über der Zeitachse t an einer Kathodenkammer, wie an der Anlage gemäß 2 eingesetzt, zur Erläuterung des Zündverfahrens,
6 schematisch die Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vakuumbehandlungsanlage mit Magnetfeldquellen zur gesteuerten Beeinflussung der Plasmaausbreitung und insbesondere der Elektronenbahnen in der Behandlungskammer,
7 eine Anlage analog derjenigen von 2 schematisch dargestellt, bei welcher ein Werkstückträger außer Sicht bezüglich der thermionischen Kathode liegt und die Elektronen der Entladung, magnetfeldgesteuert, gegen den Werkstückträger umgelenkt werden,
8 für einen mittels einer erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungsanlage geätzten Wafer die Ätzverteilung in % ohne Magnetablenkung, und
9 mit Magnetablenkung,
10 schematisch einen Teilausschnitt aus einer Anlage gemäß 2, bei welcher die Blendenanordnung mit zwei Druckstufen ausgebildet ist und dazwischen differentiell gepumpt wird.
In 1 ist in Form eines Funktionsblockdiagramms die vorliegende Erfindung prinzipiell dargestellt.
In einer Kathodenkammer 1 mit einer thermionischen Kathode 3 wird eine Niederspannungs-Bogenentladung mittels einer Zündanode 5 gezündet. Die Niederspannungs-Bogenentladung wird nach ihrem Zünden durch eine Blendenanordnung 7 mit mindestens einer Blendenöffnung 9 in eine Vakuumbehandlungskammer 11 gezogen. Dies erfolgt mit Hilfe einer Hauptanode 13, die bezüglich der thermionischen Kathode 3 auf entsprechend positives anodisches Potential gelegt ist.
In der Vakuumbehandlungskammer 11 sind, je nach durchgeführtem Prozess potentialschwebend oder potentialgebunden, ein oder mehrere Werkstücke 15 gehaltert. Gaseinlässe sowie elektrische Speisungen und Pumpaggregate zu Kathodenkammer 1 bzw. Behandlungskammer 11 bzw. zwischen den elektrisch als Elektroden wirkenden kathodenkammerseitigen bzw. behandlungskammerseitigen Aggregaten sind in 1 nicht eingetragen.
Die Erfindung besteht darin, Wandungspartien 17, welche die mindestens eine Blendenöffnung 9 umranden bzw. umgeben und welche gegen die Behandlungskammer 11 freiliegen, mit einem Schirm 20 zu versehen, welcher einerseits die mindestens eine Öffnung 9 der Blendenanordnung mindestens weitgehend, also, wenn überhaupt, mit nur geringfügigen Unterbrüchen umschließt und welcher bezüglich der Wandungsflächen der Partien 17, welche der Behandlungskammer 11 zugewandt sind, auf Dunkelraumabstand d gehalten ist. Dabei kann der Schirm 20 mit relativ großem Abstand die erwähnte Öffnung 9 umlaufen, kann aber auch, wie noch ausgeführt werden soll, bis unmittelbar in den Öffnungsbereich gezogen sein.
Durch erfindungsgemäßes Vorsehen des Schirmes 20 wird ein arcing auf den erwähnten Wandungsflächen, weitestgehend verhindert und mithin auf diejenigen Partien der dem Prozessraum P in der Behandlungskammer 11 ausgesetzten Flächen, welche dem arcing am meisten ausgesetzt sind.
In 2 ist schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anlage dargestellt. Einheiten, die denjenigen entsprechen, welche bereits anhand von 1 erläutert wurden, sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Partien 17, welche die Blendenanordnung bzw. deren mindestens eine Öffnung 9 umranden, sind bei dieser Ausführungsvariante Teil der Kathodenkammerwand. Die Kathodenkammer 1 ist über Isolationsträger 22 an der Wand der Behandlungskammer 11 montiert. Hier umschließt der Schirm 20, der sowohl bezüglich der Kathodenkammer 1, wie auch bezüglich der Behandlungskammer 11, potentialschwebend betrieben wird, die erwähnten Partien 17 auf Dunkelraumabstand d bis unmittelbar in den Bereich der vorgesehenen Blendenöffnung 9.
Die thermionische Kathode 3 wird mittels einer Quelle 24 mit dem Heizstrom I_H betrieben und ist über eine Spannungsquelle 26 und; generell gesprochen, eine Einheit 28 auf mindestens einen Teil der Kathodenkammerwand geführt, bevorzugterweise auf die Kathodenkammerwand an sich. Die Einheit 28 wirkt als Strombegrenzung und bewirkt, in Funktion des sie durchfließenden Stromes i, einen Spannungsabfall u. Sie kann, wie gestrichelt dargestellt, durch eine stromgesteuerte Spannungsquelle realisiert sein, wird aber bevorzugterweise durch ein passives Schaltelement, insbesondere durch ein Widerstandselement 30, realisiert.
Der negative Pol der Spannungsquelle 26 kann auf ein Bezugspotential, sei dies Masse oder ein weiteres vorgegebenes Potential, gelegt werden oder kann potentialfrei betrieben werden, wie dies rein schematisch durch den Möglichkeitsumschalter 32 dargestellt ist. Desgleichen kann, da von der Kathodenkammer 1 elektrisch isoliert, die Vakuumbehandlungskammer 11, wie mit dem Möglichkeitsumschalter 34 rein schematisch dargestellt, auf Massepotential, auf einem Bezugspotential oder gegebenenfalls sogar potentialschwebend betrieben werden. Je nach dem im Prozessraum P durchzuführenden Prozess wird die Behandlungskammer-Innenwand 36 oder mindestens Partien davon bezüglich der thermionischen Kathode 3 als Anode geschaltet, so dass sich die Entladung hauptsächlich zwischen der genannten Kathode 3 und den genannten Innenwandungspartien ausbildet.
Andernfalls wird, wie gestrichelt dargestellt, eine separate Anode 38 vorgesehen, welche über eine Spannungsquelle 14 mit Bezug auf die thermionische Kathode 3 anodisch, d.h. positiv, beschaltet wird. Dann ist man bezüglich Potentiallegung der Behandlungskammerwand prozessangepasst frei. Als Anode kann dabei irgendein Teil in der Kammer 11 wirken, insbesondere auch ein Werkstückträger.
Der Kathodenkammer 1 und/oder der Vakuumbehandlungskammer 11 wird über Gaszuspeiseleitungen 40 ein Ionisierungsgas für die Niederspannungsentladung zugeführt und gegebenenfalls wird der Kathodenkammer 1 und/oder bevorzugterweise der Behandlungskammer 11 ein Reaktivgas zugeführt, welches in bekannter Art und Weise in der Glimmentladung chemisch mit am Prozess beteiligten Materieteilchen, wie verdampften oder abgeätzten, reagiert, insbesondere im Rahmen eines reaktiven Ätz- oder Beschichtungsprozesses.
Wie bei 35 schematisch dargestellt, kann die Gaszuspeiseleitung 40, entkoppelt vom Potential der Kammerwand, auf Massepotential, auf einem anderen Potential oder potentialfrei betrieben werden, um gezielt zusätzliche Anregungs- oder Ionisationseffekte zu erzeugen.
Im weiteren wird die Behandlungskammer 11 mittels eines Pumpaggregates 42 zur Vakuumlegung betrieben.
Die Blendenanordnung mit der mindestens einen Blendenöffnung 9 wirkt als Druckstufe zwischen dem Druck in der Kathodenkammer 1 und dem Druck in der Behandlungskammer 11.
Je nach Ausbildung ihrer Druck-Entkopplungswirkung können die beiden Kammern, im wesentlichen druckunabhängig voneinander betrieben werden. Damit kann z.B. der Partialdruck eines Reaktivgases in der Behandlungskammer 11 wesentlich höher gehalten werden als in der Kathodenkammer 1, welcher in ein solches Gas z.B. an der Kathode 3 reagieren und deren Standzeit drastisch reduzieren könnte. Umgekehrt kann der Partialdruck von Hintergrundgasen, wie z.B. von Ar in der Behandlungskammer 11 wesentlich tiefer gehalten werden als in der Kathodenkammer 1, wo dieses Gas zur Erzeugung der Entladung notwendig ist.
Wie in 2 dargestellt, ist der Schirm 20 unmittelbar in den Bereich der Blendenöffnung 9 gezogen und bildet mit Teilen der Kathodenkammerwand einen Zwischenraum. Gleichzeitig bildet die Öffnung 9a eine weitere Blende. Deshalb kann, wie mit 42a dargestellt, bei dieser Anordnung, durch Abpumpen im erwähnten Zwischenraum, differentielles Pumpen realisiert werden, womit eine weitere Verbesserung der Druckentkopplung realisiert wird.
In 10 ist ausschnittsweise eine weitere Ausbildung des Blendenanordnungsbereiches an der Anlage gemäß 2 dargestellt, wo die Blendenanordnung selbst doppelt ausgebildet ist und im so gebildeten Zwischenraum 10 differentiell gepumpt wird. Auf die gemäß 10 bevorzugterweise vorgesehenen Rohrstutzen an den Blendenöffnungen 9a bzw. 9b wird im Zusammenhang mit 4 eingegangen.
In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist die Kathodenkammer in weiterer Ausgestaltung der Erfindung so ausgebildet, dass mindestens ein Teil ihrer Innenwandung als Zündelektroden eingesetzt wird, und dies bevorzugterweise in der in 2 dargestellten Art und Weise.
Die Funktion des dadurch realisierten Zündens soll anhand von 5 erläutert werden.
Darin sind über der Zeitachse t qualitativ eingetragen:

Φ_B: das negative Potential der Quelle 26 gemäß 2,
Φ_A: das Potential einer behandlungskammerseitig vorgesehenen Entladungsanode, sei dies 38 gemäß 2 oder mindestens von Teilen der Behandlungskammer-Innenwand 36,
Φ_z: das Potential mindestens des Teils der Kathodenkammer-Innenwand, der als Zündelektrode eingesetzt wird,
Φ_K: das Potential der thermionischen Kathode 3, entsprechend dem negativen Pol der Quelle 26, das in 5 als Bezugspotential eingesetzt ist.

Zum Zünden der Niederspannungs-Bogenentladung wird vorerst die thermionische Kathode 3 zur Elektronenemission mit dem Heizstrom I_H aufgeheizt. Es wird mindestens ein Ionisierungsgas, wie beispielsweise Argon, durch Leitung 40, sei dies über die Behandlungskammer 11 oder üblicherweise direkt, in die Kathodenkammer 1 eingelassen.
Am dargestellten Beispiel von 2 wird die ganze Wand der Kathodenkammer 1 bezüglich der thermionischen Kathode 3 auf positives Potential gelegt, womit sich zwischen thermionischer Kathode 3 und Wandung der Kathodenkammer 1, vor Zünden der Entladung, die Zündspannung U_Z gemäß 5 einstellt.
Aufgrund des durch die Abstandsrelation zwischen besagter Wand und der Kathode resultierenden elektrischen Feldes erfolgt die Zündung der Entladung, worauf, bezüglich des Elektronenstromes in Gegenrichtung (Stromrichtungskonvention), ein Strom i entsprechend einem Entladungsstromanteil durch die Einheit 28 und insbesondere in deren bevorzugter Ausführungsvariante durch das Widerstandselement 30 fließt.
Das Potential Φ_Z der Wandung der Kathodenkammer 1 sinkt, womit gemäß 5 während des Entladungsbetriebes zwischen der Wandung der Kathodenkammer 1 und der Kathode 3 sich eine wesentlich reduzierte Spannung U_B einstellt.
Damit wirkt, im Betrieb, die Wandung der Kammer 1 nur noch in vernachlässigbarem Maße als Anode. Die Primärentladung wird durch die Blendenanordnung mit der Öffnung 9 zwischen Kathode 3 und behandlungskammerseitiger Anode aufrechterhalten.
Um dieses einfache Vorgehen realisieren zu können, muss mindestens der als Zündelektrode verwendete Teil der Kathodenkammerwand dann vom Potential der Behandlungskammerwand getrennt sein, wenn letztere, wie bevorzugt, als behandlungskammerseitige Anode eingesetzt wird. Werden dabei in einfacher Art und Weise die gesamte Wand der Kathodenkammer und mithin auch die Partien 17 als Zündelektrode eingesetzt, so bleiben diese Partien 17 nach dem Zünden, wie 5 zeigt, kathodisch, womit sich dieses einfache Vorgehen insbesondere für heikle Prozesse erst durch das erfindungsgemäße Vorsehen des Schirmes 20 ohne arcing-Gefahr realisieren lässt.
In 3 ist mit Bezug auf die Erfindung dargestellt, dass die Blendenanordnung mit ihrer mindestens einen Öffnung 9 auch durch die Wandung der Behandlungskammer 11 gebildet sein kann.
In den 4a bis 4e sind weitere, teilweise bevorzugte Ausführungsvarianten des Ausschnittes gemäß 2 um die Blendenanordnung dargestellt.
Gemäß 4a ist der Schirm 20 an der Anordnung gemäß 2 nicht bis unmittelbar an die mindestens eine Öffnung 9 der Blendenanordnung gezogen, sondern umgibt die Partien 17 und ist von der Öffnung 9 der Blendenanordnung beabstandet. Bereits dadurch wird eine maßgebliche Reduktion des arcings erzielt, und zwar insbesondere dann, wenn die Kathodenkammer bezüglich der Behandlungskammerwand auf unterschiedlichem Potential betrieben wird, z.B. wenn letztere als Anode eingesetzt ist.
Wie erwähnt wurde, ist es äußerst vorteilhaft, dass mit der Blendenanordnung eine Druckstufe zwischen Kathodenkammer und Behandlungskammer realisiert wird. Dieser Effekt kann gemäß den 4b bis 4d dadurch verstärkt werden, dass an der mindestens einen Blendenöffnung 9 kathodenkammerseitig und behandlungskammerseitig gemäß 4b je ein Rohrstutzen 44_K bzw. 44_B vorgesehen wird bzw. gemäß 4c nur kathodenkammerseitig der Stutzen 44_K bzw. gemäß 4b nur behandlungskammerseitig der Stutzen 44_B .
Gestrichelt sind in den 4b bis 4d die erfindungsgemäßen Schirme 20 dargestellt.
Gemäß 4e wird der Stutzen 44_B1 , durch den Schirm 20 gebildet, ist also potentialfliegend, wozu, wie schematisch dargestellt, gegebenenfalls zusätzliche Isolationsabstützungen 46 vorgesehen werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungsanlage wird eine Niederspannungs-Bogenentladung, d. h. eine Niederspannungs-Hochstrom-Gasentladung verwendet bzw. erzeugt. Dieses Verfahren eignet sich ausgezeichnet für Anwendungen, worin eine Materialabtragung an einer Oberfläche in der Behandlungskammer vorgenommen werden soll. Dabei können entweder Werkstücke oberflächengereinigt werden, oder es kann die Innenwand der Vakuumbehandlungskammer 11 gemäß 2 gereinigt werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass ein reaktiver Abtragprozess, beispielsweise zum Entfernen von Verunreinigungen, die aus Oxid, Kohlenstoff und auch Kohlenverbindungen bestehen, mit Hilfe von Wasserstoffgas als Reaktivgas außerordentlich gute Resultate ergibt. Deshalb wird in dieser Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der entsprechenden Anlage, an der Anlage gemäß 2 Wasserstoffgas in die Behandlungskammer 11 eingelassen und in der Niedervolt-Bogenentladung aktiviert. Das dadurch realisierte Abtragungsverfahren ermöglicht die Reinigung von Oberflächen, auf welche anschließend haftfeste Schichten höchster Reinheit abgeschieden werden können. Dabei ergibt sich eine hohe Abtragrate, was eine hohe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bedeutet.
Aufgrund der hohen Ströme der Niederspannungs-Bogenentladung tritt, je nach ihrer Bündelung, ein Elektronenstrahl auf die Rezipientenwand, der lokale Erwärmungen bis beispielsweise 400°C ergeben kann, was in gewissen Fällen unzulässig ist. Trifft der Elektronenstrahl nicht, wie beim Reinigen auf der Rezipienten-Innenwandung, sondern zum Reinigen auf einer Substratoberfläche auf, so sind selbstverständlich die erwähnten Temperaturbelastungen in vielen Fällen ebenfalls unzulässig. Substrattemperaturen, welche unter anderem von der Prozesszeit abhängen, dürfen vielfach nicht größer als 110°C betragen, was oft nach wenigen Minuten bereits erreicht ist. Im weiteren wird der Elektronenstrahl von Rest-Magnetfeldern der Anlage und Umgebung sowie vom Erdmagnetfeld abgelenkt. Damit ergeben sich Elektronenflugbahnen und damit ein Strahlauffreffbereich, der von der lokalen Anlagenorientierung im Raum abhängt.
Im weiteren ergibt sich bei der Oberflächenbehandlung von Substraten oft und insbesondere bei relativ gebündeltem Plasma der Niederspannungs-Bogenentladung eine inhomogene Bearbeitungswirkung, wie z.B. eine inhomogene Abtragrate, in dem Sinne, dass im einen Flächenbereich des Werkstückes bzw. Substrates mehr als in einem anderen abgetragen wird, und zwar relativ unkontrolliert.
All diese Probleme, welche sich durch die hohen Werte des Entladungsstromes von beispielsweise 90 Ampere bei 40 Volt ergeben, lassen sich durch Anlegen eines zeitkonstanten und/oder zeitvariablen Magnetfeldes in der Behandlungskammer weitgehendst lösen.
Um zu verhindern, dass beim Reinigen der Rezipientenwand oder eines Substrates eine zu hohe lokale Erwärmung auftritt, werden die Elektronen des Niederspannungs-Entladungsplasmas mittels eines Magnetfeldes abgelenkt, d.h. der zu reinigende Bereich wird überstrichen oder es wird der Elektronenstrahl mit Hilfe des Magnetfeldes örtlich oszillierend betrieben, d.h. gewobbelt. Damit ergibt sich entlang der gereinigten Oberfläche ein Temperaturausgleich.
Einflüsse des Erdmagnetfeldes und von Restmagnetfeldern auf die Bahn der Elektronen werden, nachdem eine Anlage an ihrem Bestimmungsort aufgestellt ist, mit Hilfe von Kompensationsmagnetfeldern an der Vakuumbehandlungskammer kompensiert. Eine inhomogene Wirkungsverteilung der Niederspannungsentladung auf einem zu bearbeitenden Substrat, insbesondere auf einem zu ätzenden, beispielsweise reinigungszuätzenden Substrat, wird ebenfalls durch Anlegen bahnkorrigierender Magnetfelder mindestens teilweise behoben, wobei mit den erwähnten Magnetfeldern der Elektronenstrahl auch aufgeweitet werden kann. Der Unterschied eines Ätz-Prozesses mit und ohne Magnetablenkung an einer Anlage gemäß 2 ist in den 8 und 9 veranschaulicht:
Das Ätzprofil lässt sich magnetisch steuern.
Im weiteren wird durch Anlegen eines Magnetfeldes die Plasmadichte erhöht. Erfolgt dies im Bereich eines zu ätzenden Substrates, so wird durch die lokale Erhöhung der Plasmadichte die Abtragrate erhöht. Dies ohne dass die kinetische Energie auftreffender Partikel erhöht würde. Mithin wird dadurch die Ätzrate erhöht, die Bearbeitungszeit reduziert und damit die thermische Belastung des Substrates herabgesetzt.
In 6 ist rein schematisch die Behandlungskammer 11 gemäß 2 dargestellt, mit einer schematisch dargestellten Elektronenbahn e. Durch Anlegen des Magnetfeldes B wird die Bahn e, wie gestrichelt eingetragen, abgelenkt. Die Erzeugung des Magnetfeldes B erfolgt mittels Permanentmagneten oder, wie dargestellt, mittels Elektromagneten, die als Paar, oder im Sinne eines Quadropols, als Doppelpaar entlang der Wandung der Behandlungskammer vorgesehen sind und zur Optimierung der Elektronenbahnen bzw. des Elektronenstrahls, gestellt werden.
Gemäß 7, welche im Längsschnitt schematisch die Anlage gemäß 2 zeigt, ist ein Werkstückträger 50 in der Vakuumbehandlungskammer 11 so angeordnet, dass er außer Sichtverbindung zur thermionischen Kathode 3 ist. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass störende Wechselwirkungen von Kathode und Werkstück unterbunden sind. Der Elektronenstrahl e wird mittels des Magnetfeldes B nach Austreten aus der Blende 9 gegen den Werkstückträger 50 bzw. die Werkstücke abgelenkt.
Somit können durch Anlegen von Magnetfeldern der Verlauf und/oder die Aufweitung des Elektronenstrahls im Niederspannungsentladungsplasma gezielt gestellt werden.
Rückblickend auf die Anlage gemäß 2 wurde weiter ein Widerstandswert für das Widerstandselement 30 von 22 Ohm eingesetzt, was bei einem Gesamtentla-dungsstrom 10 bis 20 Ampere und einer Kathoden/Anoden-Spannung von 25 Volt zu einem Strom durch den Widerstand von 1 Ampere führte. Im weiteren muss erwähnt werden, dass der gefundene starke Einfluss der erwähnten Magnetfelder, und damit die gute Steuerbarkeit der Elektronenbahnen, wesentlich dadurch bedingt ist, dass die kinetische Energie der Elektronen dank der eingesetzten Niederspannungs-Bogenentladung gering ist.
Die erfindungsgemäße Anlage bzw. das erfindungsgemäße Vorgehen, ergeben die Möglichkeit, Niederspannungs-Bogenentladungen einzusetzen für hoch diffizile Anwendungen, wie beispielsweise für die Halbleiterherstellung, bei denen Prozessgas-Partialdrucke von typisch kleiner als 10^–9 mbar eingesetzt werden müssen. Das Vorgehen ergibt aber bereits bei wesentlich höheren Prozess-Total-Drucken schon ab 10^–1 mbar bezüglich des erwähnten arcings wesentliche Vorteile.
Falls das erfindungsgemäße Vorgehen für Hochvakuum- oder gar Ultrahochvakuum-Anwendungen eingesetzt wird, werden selbstverständlich die Isolations- bzw. Dichtungsverbindungen der- in 2 prinzipiell vorzusehenden Teile in den den jeweiligen Vakuumbereichen üblichen Techniken ausgeführt. Gerade bei Behandlungsprozessen, in welchen extrem tiefe Partialdrucke der beteiligten Prozessgase bzw. Arbeitsgase sicherzustellen sind, hat sich die Ausbildung der Blendenanordnung zur Druckstufenbildung gemäß den 4b bis 4e bzw. 10 ausgezeichnet bewährt.
Damit lassen sich nun die erwähnten Niederspannungs-Bogenentladungen einsetzen für hoch diffizile Verfahren, wie insbesondere für die Behandlung von Werkstücken mit elektrostatisch aus der Entladung in der Behandlungskammer extrahierten monopolaren Ladungsträgern, wie für elektronenstimulierte chemische Reaktionen auf den Werkstücken bei hoher Elektronendichte und kleiner Elektronenenergie, dabei insbesondere auch für Niedertemperatur-Behandlungsprozesse und Schichtwachstumsprozesse auf den Werkstücken, wie für Homo- und Hetero-Epitaxie-Beschichtungsprozesse.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Niederspannungs-Bogenentladung zwischen mindestens einer thermionischen Kathode (3) in einer Kathodenkammer (1) und einer Anode (38, 36) in einer Vakuumbehandlungskammer (11), wobei die Kathodenkammer (1) mit der Vakuumbehandlungskammer (11) über eine als Druckstufe ausgebildete Blendenanordnung (7, 9) mit mindestens einer Bogenaustrittsöffnung (9) verbunden ist, und wobei zur Vakuumbehandlungskammer (11) hin freiliegende Partien (17) der die Bogenaustrittsöffnung (9) umgebenden Wandung einer Funkenbildung in der Vakuumbehandlungskammer (11) ausgesetzt sein können, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenbildung durch eine den Partien (17) zur Vakuumbehandlungskammer (11) hin vorgelagerten Schirm (20) unterdrückt wird, der von den Partien (17) auf Dunkelraumabstand gehalten ist und potentialschwebend betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partien (17) auf Festpotential (Φ_B, u) betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partien (17) als Zündelektrode für die Niederspannungs-Bogenentladung dienen und zum Zünden bzw. zum Betrieb der Niederspannungs-Bogenentladung auf unterschiedlichen Potentialen (Φ_B; Φ_B-u) betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partien (17) über eine Einheit (28) auf ein Festpotential (Φ_B) gelegt werden, welche eine Spannung in Funktion des sie durchfließenden Stromes (i) erzeugt und welche durch mindestens ein passives Schaltelement, insbesondere ein Widerstandselement (30), gebildet ist, an dem ein Teil des Entladungsstromes, bei Betrieb der Niederspannungs-Bogenentladung, einen Spannungsabfall (u) bewirkt, durch den das Potential der Partien (17) vom Zündpotential (Φ_B) gegen das Potential (Φ_K) der Kathode verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partien (17) über eine stromgesteuerte Spannungsquelle auf ein Festpotential (Φ_B) gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partien (17) bezüglich des Potentials der Wand der Vakuumbehandlungskammer (11) auf unterschiedlichem elektrischem Potential betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkammer und die Vakuumbehandlungskammer auf unterschiedlichen Betriebsdrücken betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Blendenanordnungen mit Abstand voneinander vorgesehen sind, welche je eine Druckstufe bilden, und dazwischen eine Absaugung im Sinne differentiellen Pumpens vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Niederspannungs-Bogenentladung durch Anlegen eines stationären und/oder zeitvariablen Magnetfeldes in der Behandlungskammer gesteuert wird.
Verfahren wie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss des örtlich variierenden Erdmagnetfeldes auf die Elektronenbahnen der Niederspannungs-Bogenentladung mittels des Magnetfeldes kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsverteilung der Niederspannungs-Bogenentladung sowie deren Plasmadichte über einen der Vakuumbehandlung unterworfenen Flächenbereich mittels des Magnetfeldes gesteuert werden.
Vakuumbehandlungsanlage mit einer Vakuumbehandlungskammer (11), einer Kathodenkammer (1) mit mindestens einer thermionischen Kathode (3), und einer Einrichtung zum Erzeugen einer Niederspannungs-Bogenentladung zwischen der thermionischen Kathode (3) und einer in der Vakuumbehandlungskammer (11) angeordneten Anode (38, 36), wobei die Kathodenkammer (1) an die Vakuumbehandlungskammer (11) über eine als Druckstufe ausgebildete Blendenanordnung (7, 9) mit mindestens einer Bogenaustrittsöffnung (9) angekoppelt ist, und wobei die die Bogenaustrittsöffnung (9) umgebende Wandung zum Innenraum der Vakuumbehandlungskammer (11) hin freiliegende Partien (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass den Partien (17) zur Vakuumbehandlungskammer (11) hin ein Schirm (20) vorgelagert ist, der von den Partien (17) auf Dunkelraumabstand angeordnet ist und elektrisch auf schwebendem Potential liegt.
Vakuumbehandlungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Teile der vom Schirm (20) gegen den Innenraum abgedeckten Partien (17) auf ein Festpotential (Φ_B) geschaltet sind.
Vakuumbehandlungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partien (17) über ein Strombegrenzungselement, insbesondere über ein Widerstandselement (30) und/oder eine stromgesteuerte Spannungsquelle auf Festpotential (Φ_B) gelegt sind, welches bezüglich des an der thermionischen Kathode (3) anliegenden Potentials (Φ_K) positiv ist.
Vakuumbehandlungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ohne Entladungsstromfluss die Differenz zwischen dem Potential (Φ_B) an den Partien (17) und dem Potential (Φ_K) an der thermionischen Kathode (3) der Zündspannung (U_z) für die Niederspannungs-Bogenentladung entspricht.
Vakuumbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Teile der Partien (17) von übrigen, dem Inneren der Vakuumbehandlungskammer (11) zugewandten Wandungspartien der Kathodenkammer (1) elektrisch isoliert (22) sind.
Vakuumbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Partien (17) auf das Potential der Wand der Vakuumbehandlungskammer (11) geschaltet sind.
Vakuumbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode in der Vakuumbehandlungskammer (11) durch deren Wandung oder durch Teile ihrer Wandung oder durch andere Teile in der Behandlungskammer gebildet ist.
Vakuumbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (20) bis unmittelbar an die mindestens eine Öffnung (9) der Blendenanordnung (7, 9) gezogen ist.
Vakuumbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Blendenöffnung (9) mit einem zur Kathodenkammer (1) und/oder zur Behandlungskammer (11) gerichteten Rohrstutzen (44) versehen ist.
Vakuumbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Entladungsrichtung hintereinander mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete, als Druckstufen ausgebildete Blendenanordnungen und dazwischen ein Pumpenanschluss vorgesehen sind.
Vakuumbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in die Kathodenkammer (1) mindestens ein Gaseinlass (40) für ein Ionisierungsgas, wie für Argon, und gegebenenfalls auch für ein Reaktivgas einmündet.
Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 oder der Vakuumbehandlungsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 22 zur Behandlung von Werkstücken in der Vakuumbehandlungskammer mit elektrostatisch und/oder elektrodynamisch aus der Entladung in der Behandlungskammer extrahierten monopolaren Ladungsträgern, insbesondere für elektronenstimulierte chemische Reaktionen auf dem Werkstück bei hoher Elektronendichte und kleiner Elektronenenergie.
Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 bzw. der Vakuumbehandlungsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 22 für Niedertemperatur-Behandlungsprozesse und/oder Schichtwachstumsprozesse, insbesondere Homo- und Hetero-Epitaxie-Beschichtungsprozesse, auf Werkstücken in der Vakuumbehandlungskammer.
Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 bzw. der Vakuumbehandlungsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 22 für das Abtragen oder Reinigen der Oberfläche eines Werkstücks oder der Kammerwand bzw. von Einbauteilen in der Vakuumbehandlungskammer.
Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoffgas in die Vakuumbehandlungskammer eingelassen und mittels der Niederspannungs-Bogenentladung aktiviert wird.