DE4438894C2 - Vorrichtung zum Beschichten eines länglichen Werkstücks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eine länglichen Werkstücks.

Aus der EP 0 300 995 A2 ist eine stabförmige Magnetron- Sputterkathodenanordnung mit einem innenliegenden, gekühlten Permanentmagnetsystem und einem Trägerrohr für das auf das stabförmige, vorzugsweise aus nichtmagnetischem Stahl bestehende Trägerohr aufgebrachte, gegebenenfalls aus unterschiedlichen Targetmaterialien zusammengesetzte Target bekannt, wobei zwischen dem aus einem oder mehreren, insbesondere austauschbar auf das Trägerrohr aufgezogenen Ringen bestehende Target und dem Trägerrohr zumindest eine Wärmekontaktschicht angeordnet ist. Jedoch kann hier keine Minimierung des Spannungsverlaufsgradienten in Längsrichtung des Reaktorraumes gewährleistet werden.

Weiterhin ist ein als Impedanz wirkendes Abschlußelement aus der EP 06 41 150 A1 bekannt. Eine im zeitlichen Mittel gleichmäßige Spannungsverteilung auf der Werkstückoberfläche wird hierdurch jedoch nicht erreicht.

Eine Vorrichtung für die Behandlung von Werkstücken durch eine Glühentladung, mit einer ersten, zweiten und dritten Elektrode, wobei die Elektroden durch Isolatoren voneinander getrennt sind und durch die Elektroden ein Reaktionsvolumen definiert ist, in welchem ein Werkstück angeordnet ist, ist aus der EP 0 139 835 B1 bekannt. Jedoch ist auch in dieser Vorrichtung keine Beeinflussung des Gradienten des Spannungsverlaufs auf der Elektrodenfläche möglich, so daß eine Homogenisierung des Potentials über die Werkstückoberfläche nicht erzielt wird.

Unter Werkstück wird im weiteren Sinne die Gesamtheit von Werkstück, Werkstückhalter und anderen konstruktiven Elementen des Reaktors verstanden, die bezüglich des elektrischen Verhaltens eine Einheit bilden.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels einer durch einen Hochfrequenzgenerator erzeugten Entladung treten insbesondere dann Inhomogenitäten der elektrischen Spannung über der Werkstückoberfläche auf, wenn die Ausdehnungen des Werkstücks groß sind im Vergleich zur Wellenlänge der hochfrequenten Spannungswellen.

Es ist grundsätzlich möglich, zur Homogenisierung entweder die Gasströmung, die Geometrie des Reaktionsraumes oder mittels eines Magnetfeldes die lokale Leistungsdichte zu verändern oder eine Einspeisung von Energie aus mehreren Richtungen vorzusehen.

Diese Verfahren verlangen allerdings teure Konstruktionsteile (beispielsweise Magnete) und aufwendige Reaktorauf- bzw. -umbauten. Bei Verwendung eines Magnetfelds muß eine Einrichtung zum Bewegen des Werkstücks gegenüber dem Magnetfeld geschaffen werden, bei einer Einspeisung aus mehreren Richtungen ist eine hoher Aufwand für eine amplituden- und phasengleiche Einspeisung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Vorrichtung zum homogenen plasmagestützten Bearbeiten von einem ausgedehnten Werkstück zu schaffen, bei der der Potentialverlauf und somit auch die Entladung über der Werkstückoberfläche möglichst gleichmäßig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2.

Vorteilhaft ist der besonders einfache konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die Nachrüstbarkeit an vorhandene Anlagen, bei denen der zur Verfügung stehende Platz stark begrenzt ist.

Die Vorrichtung ist besonders dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die Außenabmessungen des Werkstücks groß sind im Verhältnis zur Wellenlänge des sich auf dem Werkstück ausbildenden Spannungsprofils, insbesondere dann, wenn die Werkstückabmessungen etwa ein Viertel der Wellenlänge (λ/4) oder mehr der verwendeten Frequenz betragen.

Wenn die Anzahl der Einspeisungsstellen gleich der Anzahl der Abschlußimpedanzen ist, wird der Reaktorraum in virtuelle parallele Leitungen unterteilt. Auf diese Weise läßt sich auf großflächigen Werkstücken eine gleichmäßige Potentialverteilung erzielen.

Als Abschlußimpedanzen für den (als Leitung aufzu­ fassenden Reaktorraum mit dem darin befindlichen Werkstück) eignen sich gemäß Anspruch 11 Kapazitä­ ten C (elektrische Leitungsverlängerung bis maximal λ/4), Induktivitäten L (elektrische Leitungsverkürzung bis maximal λ/4) oder Leitungsstücke definierter Länge (beliebige elektrische Verlängerung des Reaktorrau­ mes). Hieraus ergeben sich folgende Lösungswege für eine Homogenitätsverbesserung:
Durch eine elektrische Leitungsverkürzung um die hal­ be Werkstücklänge kann das Spannungsmaximum vom Leitungsausgang (Werkstückende) zur Leitungsmitte hin verschoben werden.

Da die Stehwellenfunktion nahe ihrem Maximum den geringsten Gradienten aufweist, läßt sich in diesem Fall der kleinste Potentialfehler (Homogenitätsfehler) erzie­ len.

Der auf diese Weise erzielte Gewinn an Homogenität entspricht dem bei Zweifacheinspeisung (also der Ein­ speisung der Energie aus zwei gegenüberliegenden Ein­ speisungsstellen).

Der Realisierungsaufwand bei einer Ausführung mit einer Einspeisungsstelle und einem Abschlußelement ist allerdings wesentlich geringer.

Unter einer in ihrer Impedanz veränderlichen Leitung nach Anspruch 12 ist eine Leitung zu verstehen, mit der eine verstellbare Abschlußimpedanz für den von dem Reaktionsraum und dem Werkstück gebildeten Wellen­ leiter realisiert wird. Die Änderung der Abschlußimpe­ danz der Leitung wird durch Geometrieänderungen - wie Längenänderung, Querschnittsänderung, Einsatz kapazitiver Schieber etc. - gewährleistet.

Vorteilhaft ist der Einsatz einer Teleskopleitung nach Anspruch 13; es handelt sich hierbei um eine in ihrer Länge veränderbare Leitung.

Unter Reaktorraum wird nachfolgend die elektrische Einheit von Reaktionsraum und Werkstück (mit, soweit vorhanden, Werkstückhalter und anderen konstrukti­ ven Elementen im Innern des Reaktorraumes) verstan­ den. Dieser Reaktorraum ist bei entsprechend großer Ausdehnung gegenüber der Wellenlänge der verwende­ ten Arbeitsfrequenz als elektrische Leitung beschreib­ bar.

Eine Impedanz (Z) ist eine komplexe Größe, beste­ hend aus einem Realteil (Widerstand, rein reell) und einem Imaginärteil (Kapazität, Induktivität, verlustfreie Leitung, rein imaginär).

Nachfolgend werden der Begriff "Widerstand" für ein rein ohmsches, reelles Bauelement benutzt und die Be­ griffe "Kapazität", "Induktivität" und "Leitung" als Be­ zeichnungen rein imaginärer, separater Bauelemente (konzentrierter Elemente) bzw. als Bezeichnung kon­ struktiv bedingt verteilter Elemente.

Gemäß Anspruch 14 ist eine periodische Verschie­ bung des Spannungsmaximums möglich, so daß, gemit­ telt über der Zeit, an jeder Stelle auf der Werkstück­ oberfläche ein homogenes Potential vorhanden ist. Die­ ses Verfahren erfordert einen höheren konstruktiven Aufwand, da die Impedanz des Reaktorraumabschlusses als Funktion der Zeit zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert periodisch variiert werden muß.

Bei der Ausführung nach Anspruch 15 ist eine Rota­ tion des Werkstücks möglich, ohne daß Schleifkontakte zur Herstellung einer elektrischen Verbindung am Ab­ schluß des Reaktorraumes erforderlich sind.

In einigen Fällen, meist bei zylindrischen Werkstück­ en (z. B. bei einer Hartstoffbeschichtung eines Zylinders oder eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor), ro­ tiert während des Prozesses das Werkstück um seine Längsachse, um Depositionsinhomogenitäten im Um­ fang zu eliminieren. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Kontaktierung des Abschlußelements (Impedanz) an das Werkstückende. Da eine Kontaktierung über Schleifer etc. aufgrund mechanischen Abriebs (Staub) und wegen Problemen mit der Kontaktierung nicht möglich ist, muß eine kontaktlose Anschaltung erfolgen. Diese ist kapazitiv möglich (mit einer Koppelkapazität mit zwei Elektroden), und zwar ist dazu eine Elektrode der Koppelkapazität mit dem rotierenden Werkstück­ ende verbunden und dreht sich gegenüber der zugehöri­ gen anderen feststehenden Elektrode. Die feststehende Elektrode ist über eine Abschlußimpedanz mit Masse verbunden. Die Dimensionierung der Abschlußimpe­ danz erfolgt derart, daß neben der Leitungsverkürzung um die halbe Werkstücklänge diese auch den Einfluß der Koppelkapazität kompensiert.

Die bei verschiedenen Plasmaprozessen notwendige Beheizung des rotierenden Werkstücks führt zu einer Längenänderung desselben. Deshalb muß ein Koppel­ kondensator realisiert werden, dessen Kapazität von ei­ ner Ausdehnung nicht oder nur sehr wenig abhängig ist.

Es ist durchaus denkbar, mehrere der erwähnten Ab­ schlußelemente (Leitungsstück, Kapazität, Induktivität, Widerstand u. a.) zusammen zu verwenden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfin­ dung sind in den übrigen Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung anhand von sechs Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher be­ schrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Reaktorraum mit einem Werkstück ohne Abschlußimpedanz,

Fig. 2 einen Reaktorraum mit einer induktivem Ab­ schlußimpedanz,

Fig. 3 einen Reaktorraum mit einem Widerstand als Abschlußimpedanz,

Fig. 4 einen Reaktorraum mit mehreren Einspei­ sungsstellen und mehreren parallelen Abschlußimped­ anzen,

Fig. 5 die Potentialfehlerverteilung auf einem groß­ flächigen Werkstück bei Fehlerminimierung durch in­ duktiven Abschluß und bei verschiedenen Frequenzen,

Fig. 6 die Abhängigkeit des maximalen Potentialfeh­ lers von der Frequenz mit und ohne Abschlußelement.

Fig. 1 zeigt vereinfacht den Aufbau einer Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks (1) mit einem Hoch­ frequenzgenerator (2), einem Anpaßnetzwerk (3) und einem länglichen Reaktorraum (4), in dem - in Längs­ richtung - das Werkstück (1) in der Atmosphäre eines Reaktionsgases (und bei vermindertem Gasdruck) be­ schichtet wird.

In dem Reaktorraum (4) werden an einer Einspei­ sungsstelle (5) hochfrequente, vom Hochfrequenzgene­ rator (2) erzeugte elektromagnetische Weilen einge­ speist, die eine Plasmaentladung des Reaktionsgases hervorrufen.

In der Figur ist unten in einer Stehwellenfunktion die relative Potentialverteilung (U/U_max) auf der Werk­ stückoberfläche - in Längsrichtung (x) des Werkstücks (1) - dargestellt, wobei der Reaktorraum (4) an der der Einspeisungsstelle (5) gegenüberliegenden Seite offen endet (Leerlauf) und die Werkstücklänge x kleiner oder gleich einem Viertel der Wellenlänge X ist (x ≦ λ/4).

Durch ausgangsseitigen Leerlauf und eingangsseitige Fehlanpassung kommt es zu Mehrfachreflexionen an den Enden des länglichen Reaktorraums (4).

Dabei bildet sich eine stehende Welle (des Potentials) mit einem Maximum am offenen Ende des Reaktor­ raums (4) aus, und es tritt eine inhomogene Entladung längs der Oberfläche des Werkstücks (1) auf. Das Aus­ maß der Inhomogenität ist abhängig vom Verhältnis der Werkstücklänge (1) zur Wellenlänge λ. Je größer die Werkstücklänge (1) im Verhältnis zur Wellenlänge λ wird, desto gravierender wird der Einfluß der stehenden Welle auf die Homogenität der Entladung längs der Oberfläche des Werkstücks (1). Schon bei einer Werk­ stücklänge (1) von λ/4 besitzt die stehende Welle auf dem Werkstück (1) ein Maximum und einen Nulldurch­ gang. Bei hohen Frequenzen geschieht dies schon bei relativ geringen Abmessungen (Beispiel: Frequenz f = 100 MHz → λ/4 = 0,75 m).

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung ähnlich wie die in Fig. 1, allerdings ist der Reaktorraum (4) an seinem Ende mit einer Abschlußimpedanz, nämlich einer Induktivität (L), abgeschlossen.

Dadurch wird im elektrischen Sinne - im Vergleich zu Fig. 1 - die Länge der durch den länglichen Reak­ torraum (4) gebildeten (Wellen-)Leitung verändert und somit die Lage der stehenden Welle auf dem Werkstück (1) beeinflußt. Das Spannungsmaximum läßt sich damit auf die Mitte des Werkstücks (1) verlegen, wie es in der Stehwellenfunktion in Fig. 2 unten dargestellt ist.

Durch einen Abschluß der durch den Reaktionsraum (4) und das darin befindliche Werkstück (1) gebildeten Leitung mit einem reellen Widerstand (R) gemäß Fig. 3, wobei der Widerstand seiner Größe nach dem Wellen­ widerstand der Leitung entspricht, werden Reflexionen unterbunden.

In diesem Fall ist die (in Fig. 3 unten dargestellte) Stehwellenfunktion bei Vernachlässigung des Potential­ abfalls durch das Plasma selbst eine Gerade ohne Stei­ gung. Das Potential ist vollkommen homogen verteilt.

Auch bei einem vom Wellenwiderstand des Reaktor­ raumes [(Werkstück (1) im Reaktionsraum (4)] abwei­ chenden Abschlußwiderstand ist, abhängig vom Ver­ hältnis Abschlußwiderstand zu Wellenwiderstand, ein beachtlicher Homogenitätsgewinn zu erzielen. Anstelle des direkten Abschlusses mit einem Widerstand eignen sich auch Anschlüsse mit einem vom Wellenwiderstand des Reaktorraumes abweichenden Widerstand in Kom­ bination mit einem Anpaßnetzwerk (matchbox) mit ei­ ner zusätzlichen Hochfrequenzentladung oder mit ei­ nem aktiven Zweipol (z. B. Hochfrequenz-Leistungs­ transistor) am Ende des Reaktorraumes. Da der Wellen­ widerstand des Reaktorraumes vom Plasma (Gasart, Druck, Leistungsumsatz) abhängig ist, haben diese Vari­ anten den Vorteil, daß die Abschlußimpedanz durch ex­ terne Beeinflussung des Abschlusses leicht geändert und somit dem Wellenwiderstand des Reaktorraumes ange­ paßt werden kann. Nachteil dieser Methode sind aller­ dings die hohen Verluste im Abschluß aufgrund sehr hoher Entladungsspannungen bei niedrigen Wellenwi­ derständen des Reaktorraumes im Bereich einiger 10 Ω.

Durch phasen- und amplitudengleiche Zweifacheins­ peisung an beiden (gegenüberliegenden) Werkstücken­ den existiert aus Sicht beider Einspeisungspunkte in der Werkstückmitte ein virtueller Leerlauf, so daß das Spannungsmaximum in der Mitte des Reaktorraumes auftritt; ein deutlicher Gewinn an Homogenität ist die Folge.

Ist das Werkstück (1') nicht nur in seiner Länge, son­ dern auch in der Breite stark ausgedehnt (im Verhältnis zur Wellenlänge), kann die Oberfläche des Werkstücks (1') gemäß Fig. 4 virtuell in einzelne parallele Leitungen gleichen Wellenwiderstandes zerlegt werden, die dann jeweils eine separate Einspeisungsstelle (5') und ein ei­ genes reelles, induktives oder kapazitives Abschlußele­ ment (Z) erhalten. Erfolgt die Mehrfacheinspeisung pha­ sen- und amplitudengleich über die Einspeisungsstellen (5'), lassen sich die in Fig. 4 dargestellten elektrischen Hilfstrennlinien (6) auf der Elektrodenoberfläche ein­ führen, da das Potential auf jeweils benachbarten virtu­ ellen Leitungen gleich verteilt ist, und somit der Strom­ fluß über die Trennlinien an jedem Punkt null ist (Leer­ lauf). Das elektrische Verhalten ist somit mit dem von vollständig getrennten Leitungen identisch. Damit der Homogenitätsfehler über der Werkstückbreite gering bleibt, muß das Werkstück in möglichst viele parallele virtuelle Leitungen aufgeteilt werden, mindestens aber in so viele, daß die Breite einer einzelnen virtuellen Lei­ tung auf der Werkstückoberfläche höchstens der halben Werkstücklänge entspricht.

In Fig. 5 ist für den Fall der Mehrfacheinspeisung und induktiver Abschlüsse entsprechend Fig. 4 die Vertei­ lung des verbleibenden Potentialfehlers in Längsrich­ tung (x) auf der Oberfläche eines Werkstücks mit einer Fläche von 500 mm × 600 mm dargestellt, wobei ver­ schiedene Frequenzen berücksichtigt sind (Kurve 7: 13,56 MHz; Kurve 8: 27,12 MHz; Kurve 9: 50 MHz; Kurve 10: 100 MHz; Kurve 11: 150 MHz).

Der Potentialfehler ist dabei der Quotient der Abwei­ chung des Potentials vom Potentialmaximum, bezogen auf das Potentialmaximum. Je höher die Frequenzen der eingespeisten elektromagnetischen Wellen sind, desto stärkere Abweichungen des Potentials gibt es entlang der Längsrichtung (x) auf der Werkstückoberfläche.

Fig. 6 zeigt den maximalen Potentialfehler auf dem­ selben Werkstück wie dem in Fig. 5, und zwar zum ei­ nen für den Fall, daß ein Abschlußelement angeschlos­ sen ist (Kurve 12) und zum andern für den Fall, daß der Reaktionsraum im Leerlauf (Kurve 13) betrieben wird. Der maximale Potentialfehler ist die maximale Abwei­ chung des Potentials vom Potentialmaximum auf dem Werkstück, bezogene auf dieses Spannungsmaximum.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Beschichten eines länglichen Werkstücks, welche einen länglichen Reaktorraum aufweist, in den an mindestens einer Einspeisungsstelle hochfrequente elektromagnetische Wellen in Längsrichtung des Reaktorraums eingekoppelt werden, wobei zu jeder Einspeisungsstelle (5) an der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks (1) ein als elektrische Impedanz wirksames Abschlußelement elektrisch an das Werkstück (1) gekoppelt ist, das den Gradienten des Spannungsverlaufes auf der Werkstückoberfläche in Längsrichtung des Reaktorraumes (4) minimiert.

2. Vorrichtung zum Beschichten eines länglichen Werkstücks, welche einen länglichen Reaktorraum aufweist, in den an mindestens einer Einspeisungsstelle hochfrequente elektromagnetische Wellen in Längsrichtung des Reaktorraums eingekoppelt werden, wobei zu jeder Einspeisungsstelle (5) an der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks (1) ein derartig zeitlich veränderbares, als elektrische Impedanz wirksames Abschlußelement elektrisch an das Werkstück (1) gekoppelt ist, daß im zeitlichen Mittel eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf der Werkstückoberfläche vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsmaximum, bezogen auf die Längsrichtung des Reaktorraums (4), in der Mitte des Werkstücks (1) auftritt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußelemente an einen elektrisch leitend mit dem Werkstück (1) verbundenen Werkstückhalter angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abschlußelement eine Impedanz mit einem Imaginärteil ist und daß das in Längsrichtung auftretende Spannungsmaximum einer sich im Reaktorraum (4) ausbildenden stehenden Welle in Höhe des Werkstücks (1) auftritt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abschlußelement eine derartige Impedanz mit einem Realteil ist, daß eine sich im Falle eines fehlenden Abschlußelements im Reaktorraum (4) ausbildende stehende Welle bei Vorhandensein des Abschlußelementes zumindest teilweise unterbunden wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz mit dem Realteil ein Widerstand (R) ist oder eine Kombination eines Widerstandes mit mindestens zwei imaginären, sich gegenseitig durch Resonanz vollständig aufhebenden Impedanzen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Realteil durch einen aktiven Zweipol gebildet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Realteil des Abschlußelementes der Realteil einer im Reaktionsraum (4) auftretenden Hochfrequenzentladung ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abschlußelement eine Impedanz mit einem Realteil und einem Imaginärteil ist, so daß entweder das in Längsrichtung auftretende Spannungsmaximum einer sich im Reaktorraum (4) ausbildenden stehenden Welle in Höhe des Werkstücks (1) auftritt oder die stehende Welle zumindest teilweise unterbunden wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Imaginärteil durch mindestens eine Kapazität und/oder durch mindestens eine Induktivität und/oder durch ein leerlaufendes oder kurzgeschlossenes Leitungsstück realisiert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kapazität und/oder mindestens eine Induktivität in ihrer/ihren Größe(n) veränderbar ist/sind und/oder daß das Leitungsstück eine in ihrer Impedanz veränderliche Leitung ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität ein Drehkondensator, die Induktivität ein Variometer und das Leitungsstück eine Teleskopleitung ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abschlußelement eine Impedanz ist und daß die Impedanz während eines Beschichtungsvorgangs so verstellt wird, daß eine sich im Reaktorraum ausbildende stehende Welle in Längsrichtung periodisch über das Werkstück (1) verschoben wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz eine Kapazität mit zwei Elektroden enthält, wobei eine Elektrode mit dem Werkstück (1) oder einem damit leitend in Kontakt stehenden Werkstückhalter verbunden ist und die andere Elektrode ohne unmittelbaren mechanischen Kontakt zur ersten über mindestens eine weitere Impedanz mit Masse verbunden ist, wobei die Kapazität und die Impedanz(en) zusammen eine Abschlußimpedanz für das Werkstück (1) im Reaktorraum (4) bilden.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abschlußelement zumindest teilweise im Reaktorraum (4) untergebracht ist.