DE69828904T3

DE69828904T3 - Plasmabehandlungsgerät mit rotierenden magneten

Info

Publication number: DE69828904T3
Application number: DE69828904T
Authority: DE
Inventors: Hana Barankova; Ladislav Bardos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: JP4491132B2; CZ20001853A3; SE511139C2; EP1033068A1; WO1999027758A1; EP1033068B1; AU1182099A; EP1033068B2; DE69828904D1; US6351075B1; CZ298474B6; JP2001524743A; SE9704260D0; SE9704260L; DE69828904T2

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein rotierende Magneten verwendendes Plasmabehandlungsgerät, insbesondere zur Lichtbogenentladungsbehandlung und für Magnetronsputterauftragungs- oder -ätzverfahren.
HINTERGRUND
Hochdichte Plasmaquellen und -geräte zur Niederdruckplasmabehandlung von Oberflächen verwenden zusätzliche magnetische Felder. Offensichtlich kann das magnetische Feld zum magnetischen Einschluss von Plasmaelektronen und -ionen verwendet werden. Der Lorenz-Kraft-Vektor F, der die Bewegung von geladenen Partikeln beschreibt, ist definiert als: F = q(v × B), wobei v der Geschwindigkeitsvektor eines geladenen Partikels (Elektron oder Ion) mit Ladung q_e,i, und B der Vektor der magnetischen Induktion ist. Die Lorenz-Kraft wirkt auf Elektronen und Ionen, welche ein von Null verschiedenes Vektorprodukt (v × B) haben, z. B. eine Geschwindigkeitskomponente v_norm(e,i) senkrecht zu dem Vektor B haben. Die Elektronen und Ionen (mit der Masse m_e,1) werden angetrieben, um sich um die magnetischen Flusslinien zu drehen, bei Larmor-Radien definiert als r_e,i = v_norm(e,i) m_e,i/q_e,1B.
Die häufigste Antriebskraft für geladene Partikel ist das elektrische Feld (Vektor E). In diesem Fall gibt das Vektorprodukt (E × B) den resultierenden Flüsse von Partikeln eine Richtung (drift) an. Zu beachten ist, dass je höher die Partikelgeschwindigkeit (Energie) ist, die abhängt von dem Feld E, von Kollisionen usw., desto größer muss die magnetische Induktion B sein, um denselben Larmor-Radius aufrecht zu erhalten. Je höher die Induktion B ist, desto geringer ist der Larmor-Radius von Partikeln. Diese Relationen sind sehr wichtig, da der magnetische Einschluss nur in Fällen wirksam sein kann, in denen die Reaktorkammerdimensionen größer sind, als die Larmor-Radien der Partikel. Anderenfalls rekombinieren die Partikel an den Kammerwänden. In starken Magnetfeldern sind die Larmor-Radien kurz und das Plasma kann in kleinen Volumen eingeschlossen werden. Aufgrund der reduzierten Rekombinationsverluste führt der magnetische Einschluss zu dichteren Plasmen verglichen mit Fällen ohne magnetische Mittel. Bei niedrigen Gasdrücken, wobei die Kollisionen zwischen Partikeln weniger häufig sind, sind die mittleren freien Wege von Partikeln gewöhnlich länger als die Abmessungen der Reaktorkammern. Die Partikel können hohe Energie von erzeugenden Feldern erreichen und die Wandrekombinationsrate kann gegenüber der Iosination überwiegen. Ein solches Plasma kann nicht bestehen bleiben ohne einen zusätzlichen magnetischen Einschluss.
Ein magnetisches Feld kann ebenfalls benutzt werden als eine aktive Komponente in verschiedenen Mechanismen von Plasmaerzeugung. Zum Beispiel in Elektronen und Ionen Zyklotronenresonanzen (ECR, ICR), wobei magnetische Induktion B sich sowohl auf die Generatorfrequenz ω als auch die Elektronen- oder Ionenmasse bezieht: B = ωm_e,i/g_e,i.
Andere Beispiele sind Hybridresonanzen, Landau-dämpfungsunterstützende Erhitzung des Plasmas usw. Sowohl bei einem optimalen Wert der magnetischen Induktion als auch bei einer optimalen Gestalt des magnetischen Flusses kann die Resonanzerzeugung des hochdichten Plasmas kombiniert werden mit seinem Einschluss in einem definierten Volumen.
Eine breite Auswahl von magnetischen Einschlüssen (Plasmafallen) für die Hochfrequenz (HF) Glühentladungen unter Anwendung von statischen Magnetfeldern, die erzeugt werden durch elektromagnetische Spulen, wurde patentiert durch A. S. Penfold und J. A. Thornton ( U.S. Patent Nr. 4,116,794 vom 26-09-1978). Das Patent stellt verschiedene Ausführungsformen von magnetischen Spulen optimiert für verschiedene Geometrien von HF Elektroden vor. Das Ziel dieser Optimierung ist es, den Einschluss der Entladung zu maximieren und seine Erhaltung bis hinab zu geringen Gasdrücken in der Entladungskammer. Sämtliche beanspruchte Spulenanordnungen sind statisch sowohl in Zeit als auch in Raum.
Es ist ebenfalls möglich, das magnetische Feld im Raum zu „bewegen”, entweder durch Bewegung der magnetischen Spulen selbst oder Schritt für Schritt durch Einschalten des Stroms durch die Spulen, die ein Array von Spulen konfigurieren. Zum Beispiel wurde das magnetische Feld durch eine bewegte Spule bei den Mikrowellen ECR-Entladungen (R. HYTRY U. A., J. VAC. SCE. TECHNOL., 1993) verwendet. Über die periodische Ersetzung des Felds in einem statischen System von Elektromagneten durch sukzessives Schalten des Generatorstroms in den jeweiligen Spulen wurde berichtet bei einer induktiven HF-Entladung von M. Murata u. a. (Vakuum 1997). Diese Bewegungen des magnetischen Felds basieren auf räumlicher Versetzung der magnetischen Mittel ohne Änderung der Gestalt der magnetischen Flusslinien und der Feldgeometrie.
Im Allgemeinen ist das Design einer passenden Gestalt des magnetischen Felds mit elektromagnetischen Spulen nicht möglich, wenn in geringen Volumen oder begrenzten Bereichen eine hohe magnetische Induktion benötigt wird. Bezüglich dieser Probleme war 1984 ein Jahr des „Durchbruchs”, als eine Entdeckung an starken Permanentmagneten basierend auf ternären inter-metallischen Zusammensetzung Nd-Fe-B gemacht wurde (z. B. siehe Buch „Ferromagnetic Materials” von E. P. Wolfarth und K. H. J. Buschow, North-Holland 1988, Kapitel 1, 1, Seite 4 und Seite 7). Diese Art von Magneten kann ein sehr starkes Magnetfeld bereitstellen (mehr als 0,1 T an der Magnetoberfläche). In vielen praktischen Fällen ersetzen diese Magnete erfolgreich magnetische Spulen und erlauben Magnetfeldanwendungen mit genau definierten Formen in einem ausgewählten Raum. Die bedeutendste Möglichkeit ist die Bildung von starken lokalen magnetischen Feldern mit einem genauen Design der magnetischen Flusslinien, was mit Spulen praktisch nicht möglich ist.
Ein lokales magnetisches Feld wurde verwendet in Geräten zur Erzeugung einer linearen Lichtbogenentladung zur Plasmabehandlung (LAD) von L. Bardos und H. Baránková (Schwedische Patentveröffentlichung SE 503141 , Nov. 1994), insbesondere zur Behandlung auf Oberflächen von Festkörpersubstraten. In diesem Gerät ist ein Paar von einander gegenüberliegend platzierten und mit demselben Pol des Generators verbundenen Elektrodenplatten in einem Magnetfeld angeordnet, welches von Magneten zur Entwicklung von linearen Heisszonen auf den Elektrodenplatten generiert wird, wo eine Lichtbogenentladung erzeugt wird. Die Elektrodenplatten bilden eine Hohlkathode mit parallelen Platten, negativ in Bezug zu dem umgebenden Plasma, welches eine virtuelle Anode repräsentiert. Die Heisszonen werden gebildet aufgrund von Ionenbeschuss der Plattenoberlflächen in der Hohlkathodenentladung zwischen den Platten. Das magnetische Feld rechtwinklig zu den Kathodenplatten in diesem Gerät erleichtert die Hohlkathodenentladung in dem Spalt zwischen den Platten. Die Position der Magnete kann in Bezug zu den Elektrodenplatten durch einen Tuner abgestimmt werden und die Verteilung des magnetischen Felds wird abgestimmt durch Magnete und durch zusätzliche Magnete. Somit ist das bei der LAD verwendete magnetische Feld stationär sowohl im Raum als auch in Zeit. Für ausgewählte Parameter von Gasflussrate, Erzeugungsleistung, Gasdruck usw. kann das magnetische Feld abgestimmt und optimiert werden zu einer einheitlichen Verteilung der resultierenden Plasmadichte entlang des Spaltes. Aufgrund der von Null verschiedenen v × B Kraft in vielen praktischen Anwendungen tendieren die Ionen jedoch dazu, sich mehr auf einer Seite des Hohlkathodenspaltes zu konzentrieren. Zeitabhängige Änderungen der Entladungsparameter während des Betriebs der LAD-Quelle können Änderungen sowohl der Partikelgeschwindigkeit und Verteilung als auch der Verteilung des elektrischen Felds in der Entladung verursachen. Dies kann in einer nichtgleichförmigen Erosion des Kathodenmaterials resultieren durch Lichtbogenbedampfung und/oder Verdampfung und folglich in einer nichtgleichförmigen Bearbeitungsrate auf dem Substrat.
Ein weiteres Beispiel der Anwendung von starken Permanentmagneten ist das wohlbekannte Magnetron-Sputter-Ätzgerät. Prinzipien und Eigenschaften der verschiedenen Magnetronsysteme für Sputter-Ätzungs/Ablagerungsbehandlungen sind in einer Vielzahl von Arbeiten beschrieben. Ungeachtet sowohl ihres immer „klassischen” Konzepts als auch ihrer kommerziellen Lieferbarkeit seit 1976 unterliegen die Magnetrons immer noch einem Konstruktionswandel. Gründe hierfür sind entweder eine unbefriedigende Plasmadichte auf dem Substrat für ausgewählte Anwendungen oder unwirksame und nicht gleichförmige Magnetrontarget-Auslastung, begleitet von einem geringen Erosionsbereich auf dem Target während des Sputterns. Das erste Problem kann teilweise gelöst werden durch „Störung” (Öffnung) der magnetischen Flusslinien, welches eine Expansion des Plasmas in Richtung auf das Substrat erlaubt (B. Window und N. Savvides in 1986), oder durch ein zusätzliches Ionisationstool, z. B. durch eine Hohlkathode (J. J. Cuomo, u. a., U.S. Patent Nr. 4,588,490 eingereicht 22-05-1985), alternativ durch eine zusätzliche HF-Spule (S. N. Rossnagel und J. Hopwood, Appl. Phys. Lett., 1993). Das letztere Problem wird reduziert in Magnetrons mit einem rotierbaren zylindrischen Target „C-MAG” (M. Wright u. a., J. Vac. Sci. Technol., 1986; A. Belking u. a. Thin Solid Films 1991) und in Hohltargetmagnetrons (offenbart in U.S. Patent Nr. 5,073,245 durch V. L. Hidgeoth 1991). Eine Bewegung des Targets in Bezug auf das magnetische Feld kann ersetzt werden durch ein Verschieben des magnetischen Felds unter dem Target. Dies wird beschrieben in der europäischen Patentanmeldung EP-B1-0 603 587 (Balzers AG, 1992), in der das System von Permanentmagneten, die ein tunnelähnliches Magnetfeld bilden, seitlich unter dem Target angeordnet ist. Die magnetischen Pole können schwenkbar und mit der seitlichen Verschiebung synchronisiert sein, um die seitliche Verlagerung des tunnelähnlichen Felds auszuweiten, wodurch die Erosion des Targets vergrößert wird. In EP-B1-0 6 103 587 erlaubt das geschlossene tunnelähnliche Feld keine Ungleichförmigkeit des Magnetrons und Ausweitung des Plasmas in Richtung der Substrate, und die Drehbewegung der Magnete erfolgt in derselben Richtung, was die Anzahl der unterschiedliche Magentronbetriebszustände begrenzt. Eine andere Lösung basiert auf einem neuen Design von magnetischen Feldern, die Permanentmagnete verwenden, wie beschrieben in U.S. Patent Nr. 5,262,028 von Sierra Applied Sciences, Inc. Ein Überblich über verschiedene Anordnungen von magnetischen Feldern in allen bekannten Magnetrons wurde z. B. von J. Musil u. a. (Vakuum, 1995) oder von R. Kukla (Surf. Coat. Technol., 1997) präsentiert. In all diesen Magnetrons wird entweder das stationäre magnetische Feld verwendet (geschlossen oder unsymmetrisch) oder das Feld wird während der Behandlung mit Bezug zu dem Target (z. B. C-Mag) bewegt, jedoch ohne wesentliche Änderung seiner Form. Die Sputterbetriebszustände sind daher „vorgeschrieben”.
In der Japanischen Patentanmeldung 05148642 ist ein Magnetron-Kathoden-Zerstäubungs-Gerät offenbart. Ein gasförmiges Plasma wird in der vorderen Oberfläche eingeschlossen. Der Erosionsbereich auf der Target-Fläche wird durch Drehen von Magnetstäben auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats bewegt.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile der oben beschriebenen bekannten Techniken zu überwinden und ein Plasmabehandlungsgerät mit rotierenden Magneten zum Erreichen eines justierbaren zeitvariablen magnetischen Felds bereitzustellen.
In einem ersten Aspekt gemäß der Ansprüche, umfasst ein Plasmabehandlungsgerät Mittel zur Generierung einer Plasmaentladung und Mittel zur Begrenzung der Plasmaentladung in einem Magnetfeld, umfassend zumindest ein Paar eines ersten rotierenden Permanentmagnetsystems und eines zweiten rotierenden Permanentmagnetsystems umfassend einzelne Permanentmagnete, wobei die ersten und zweiten Permanentmagnetsysteme einander gegenüberliegend angeordnet sind, umfassend einzelne Permanentmagnete, die eine maximale magnetische Induktion von mehr als 10^–1 Tesla aufweisen, ein Antriebssystem, angeordnet zum Antrieb einer Bewegung der rotierenden Permanentmagnetsysteme in entgegengesetzter Richtung mit Bezug zueinander, eine Basisplasmabehandlungsvorrichtung, verwendet in Kombination mit den rotierenden Permanentmagnetsystemen zur Bildung zeitvariabler magnetischer Feldlinien und zur Wirkung auf ein durch die Basisplasmabehandlungsvorrichtung hergestelltes Plasma, ein ein Sensorsystem und ein Rückkopplungssystem umfassendes Steuerungssystem, verbunden mit dem Antriebssystem und angeordnet zur Bewegungssteuerung der Permanentmagnete in den rotierenden Permanentmagnetsystemen mit Bezug auf Änderungen in dem Plasma.
In einem zweiten Aspekt gemäß den Ansprüchen umfasst ein Plasmabehandlungsgerät zur Lichtbogenentladungsbehandlung Mittel zur Generierung einer Plasmaentladung und Mittel zur Begrenzung der Plasmaentladung in einem Magnetfeld, umfassend zumindest ein Paar eines ersten rotierenden Permanentmagnetsystems und eines zweiten rotierenden Permanentmagnetsystems umfassend einzelne Permanentmagnete, wobei die ersten und zweiten Permanentmagnetsysteme einander gegenüberliegend angeordnet sind, umfassend einzelne eine maximale magnetische Induktion von mehr als 10^–1 Tesla aufweisende Permanentmagnete, ein Antriebssystem, angeordnet zum Antrieb einer Bewegung der rotierenden Permanentmagnetsysteme, eine Basisplasmabehandlungsvorrichtung, umfassend einen linearen Lichtbogenentladungsmechnismus mit zumindest einem in einem magnetischen Feld angeordneten Paar Hohlkathodenplatten, wobei stationäre magnetische Feldlinien durch von den rotierenden Permanentmagnetsystemen zur Generierung eines zeitabhängigen Hohlkathodenplasmas erzeugte zeitvariable magnetische Feldlinien entweder ersetzt oder beeinflusst werden, und ein ein Sensorsystem und ein Rückkopplungssystem umfassendes Steuerungssystem, verbunden mit dem Antriebssystem und angeordnet zur Bewegungssteuerung der rotierenden Permanentmagnetsysteme mit Bezug auf Änderungen des zeitabhängigen Hohlkathodenplasmas.
In einem dritten Aspekt gemäß der Ansprüche umfasst die Basisplasmabehandlungsvorrichtung eine Magnetronvorrichtung mit einem stationären Magnetsystem, in dem die rotierenden Permanentmagnetsysteme zur Bildung der zeitvariablen magnetischen Feldlinien angeordnet sind, die ein Magnetrontarget zur Generierung eines zeitabhängigen Magnetronplasmas durchqueren.
In einem vierten Aspekt gemäß den Ansprüchen umfasst die Basisplasmabehandlungsvorrichtung eine Magnetronvorrichtung mit einem drehbaren Magnetrontarget, wobei die rotierenden Permanentmagnetsysteme zusammen mit dem stationären Magnetsystem an einem Halter befestigt sind.
In einem fünften Aspekt gemäß den Ansprüchen umfasst die Basisplasmabehandlungsvorrichtung ein aktives Plasma in einem Reaktor, wobei die rotierenden Permanentmagnetsysteme zur Bildung der zeitveränderlichen magnetischen Feldlinien zur Generierung zeitabhängiger dichter Plasmabereiche außerhalb und/oder innerhalb des Reaktors angeordnet sind.
In einem sechsten Aspekt gemäß den Ansprüchen umfassen die rotierenden Permanentmagnetsysteme einzelne Permanentmagnete mit unterschiedlichen maximalen magnetischen Induktionen und/oder unterschiedlichen Richtungen magnetischer Feldlinien.
In einem siebten Aspekt gemäß den Ansprüchen ermöglicht das durch das Steuerungssystem gesteuerte Antriebssystem den Antrieb der rotierenden Permanentmagnetsysteme in einer schrittweisen Bewegung oder einem Schwingungsbetriebsmodus um ausgewählte Positionen herum.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben werden aus der Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren gegeben ist, wobei:
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die ein Beispiel eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten zeigt, für eine lineare Lichtbogenentladung (LAD) ausgeführt in einem zeitabhängigen Hohlkathodenplasam;
2 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein anderes Beispiel eines Plasambehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten in Kombination mit Magnetronelementen zur Generierung eines zeitabhängigen Magnetronplasmas zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein weiteres Beispiel eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten, installiert in einem Magentronelement mit rotierendem Target zur Erzeugung eines zeitabhängigen Magnetronplasmas, zeigt;
4 ist eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung, die ein weiteres Beispiel eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten in einem Reaktor mit einem aktiven Plasma zur Erzeugung von zeitabhängigen dichten Plasmaregionen zeigt;
5 zeigt ein Beispiel eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, für sequentielle 45° Positionsänderungen von 0° bis 315° der rotierenden Permanentmagnetsysteme, eine Wirkung auf die Verteilung von magnetischen Flusslinien, auf Verteilung eines Plasmas bzw. auf Verteilung einer Heisszone an den Elektrodenplatten, in einer Hohlkathodenentladung erzeugt durch ein in 1 gezeigtes Gerät;
6 zeigt ein Beispiel eines Plasmabehandlunsgeräts mit rotierenden Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung in seiner ersten Ausführungsform, für sequentielle 45° Positionsänderungen von 0° bis 315° der rotierenden Permanentmagnetsysteme, eine Wirkung auf die Verteilung der magnetischen Flusslinien und der magnetischen Flusslinien erzeugt durch ein stationäres Magnetsystem bzw. auf eine Plasmaverteilung;
7 zeigt ein Beispiel eines Plasamabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, für sequentielle 45° Positionsänderungen von 0° bis 315° der rotierenden Permanentmagnetsysteme mit Bezug zu einem stationären Magnetsystem in einem Magnetronelement und Wirkung auf Verteilung von magnetischen Flusslinien und Verteilung von Magentronplasma erzeugt in dem in 2 gezeigten Gerät;
8 zeigt ein Beispiel eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, für sequenzielle 45° Positionsänderungen von 0° bis 315° der rotierenden Permanentmagnetsysteme mit Bezug zu einem stationären Magnetsystem in dem Magnetronelement, eine Wirkung auf die Verteilung der Erzeugung in dem in 2 dargestellten Gerät;
9 ist ein weiteres Beispiel, welches eine vereinfachte Ansicht der rotierenden Permanentmagnetsysteme für das Plasmabehandlungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung und einer Anordnung von individuellen Permanentmagneten zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf 1 wird eine erste Ausführungsform eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zumindest ein Paar aus einem ersten rotierenden Permanentmagnetsystem 1 und einem zweiten rotierenden Permanentmagnetsystem umfasst individuelle Permanentmagnete 3, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Um einen ausreichenden magnetischen Fluss über einen Raum zwischen den rotierenden Permanentmagnetsystemen zu erreichen, sollten die individuellen Permanentmagnete ihre maximale magnetische Induktion höher als 10^–1 Teslar (1000 Gauss) haben. Starke NdFeB-Permanentmagnete, die Oberflächeninduktionen bis über 0,5 Teslar oder sogar noch mehr aufweisen, sind geeignet für diesen Zweck. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme werden von einem Antriebssystem 4 angetrieben, welches z. B. Rotation des rotierenden Permantmagnetsystems in entgegengesetzte Richtung mit Bezug zueinander ausführt. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme werden in Kombination mit einem Basisplasmabehandlungsgerät 5 z. B. mit einem linearen Lichtbogenentladungsgerät (LAD) verwendet, dargestellt in 1 als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bewegungen der rotierenden Permanentmagnetsysteme ergeben sowohl die Verteilung des magnetischen Flusses als auch den Wert der magnetischen Induktion in dem Raum zwischen den in der Zeit veränderlichen rotierenden Magnetsystemen. Zeitabhängige magnetische Flusslinien 6 wirken auf ein Plasma 7 ein, welches von dem Basisplasmabehandlungsgerät erzeugt wird. Im Fall eines LAD Geräts kreieren statische Permanentmagnete ein magnetisches Feld über den Spalt zwischen Hohlkathodenplatten 8, welches vorteilhaft durch die rotierenden Permanentmagnetsysteme ersetzt werden kann. In diesem Fall ist die Bildung von linearen Heißzonen auf den Elektrodenplatten eines LAD Geräts abhängig von Änderungen der magnetischen Flusslinien 6 und ein zeitabhängiges Hohlkathodenplasma 10 wird generiert. Außerdem werden die durch ein stationäres Magnetsystem 14 erzeugten stationären magnetischen Flusslinien 9 ebenfalls beeinflusst durch die rotierenden Permanentmagnetsysteme. Dieser Einfluss resultiert in zeitabhängigen Änderungen des durch das Gerät erzeugten Plasmas. In einem einfachsten Fall verursacht eine dauerhafte Drehung der rotierenden Permanentmagnetsysteme eine Symmetrierung der Hohlkathodenplasmadichte entlang des Hohlkahtodenspaltes, unabhängig von Versuchsparameteränderungen, z. B. Gasfluss, Gasdruck, Leistung usw. Die Drehfrequenz der rotierenden Permanentmagnete repräsentiert einen neuen Prozeßsteuerparameter, der in dem statischen Feld LAD-Geräten nicht verfügbar ist. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme können ebenfalls in einer schrittweisen Bewegung oder in einem Vibrationsbetriebsmodus um ausgewählte Positionen angetrieben werden. Diese Bewegungen können vorteilhaft verwendet werden zur automatischen Steuerung von ausgewählten Parametern z. B. Plasmaparametern, mittels eines Steuerungssystems 11 umfassend ein Sensorsystem 12 zur Erkennung von ausgewählten Parameter und ein Rückkoppelsystem 13 zur Steuerung des Antriebssystems 4. Solche Regeleinrichtungen reagieren auf Änderung von Plasmaparametern und veranlassen das Antriebssystem die Position der rotierenden Permanentmagnete zu ändern, wodurch die Parameter zurück auf die vorgewählten Werte zurückgestellt werden.
Bezug nehmend auf 2 wird eine zweite Ausführungsform eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten gemäß der Erfindung beschrieben in einer schematischen Darstellung. Ein Paar aus einem ersten rotierenden Permanentmagnetsystem 1 und einem zweiten rotierenden Permanentmagnetsystem 2 umfasst einzelne Permanentmagnete 3, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Einzelne Permanentmagnete haben eine maximale magnetische Induktion von mehr als 10^–1 Tesla (1000 Gauss). Die rotierenden Permanentmagnetsysteme werden von einem Antriebssystem 4 angetrieben, welches Drehung der Permanentmagnetsysteme in entgegengesetzte Richtung zueinander ausführt. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme werden in Kombination mit einem Basisplasmabehandlungsgerät 5 verwendet, welches, in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, ein Magnetronelement mit stationären Magnetsystemen 14 repräsentiert. Bewegungen der rotierenden Permanentmagnetsysteme ändern den magnetischen Fluss und den Wert der magnetischen Induktion auf dem Magnetrontarget 16 zeitabhängig. Zeitabhängige Flusslinien 6 bewirken ein zeitabhängiges Magnetronplasma 17, sowohl in Gestalt als auch in Parametern. Die Zeitabhängigkeit bewirkt eine zeitabhängige Erosion des Targets in einer Erosionszone 18. Die Erosionszone kann vergrößert werden und außerdem kann das Magnetron periodisch unsymmetriert und symmetriert werden, abhängig von der Anordnung der rotierenden Permanentmagnetsysteme innerhalb des stationären Magnetsystems des Magnetrons. Steuerung der Plasmaparameter und/oder der Erosion des Targets wird durch ein Steuerungssystem ermöglicht, umfassend ein Sensorsystem 12 und ein Rückkoppelsystem 13 verbunden mit dem Antriebssystem.
Bezug nehmend auf 3 wird eine dritte Ausführungsform eines Plasmabehandlungsgerätes mit rotierenden Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung beschrieben. Ein Paar aus einem ersten rotierenden Permanentmagnetsystem 1 und einem zweiten Permanentmagnetsystem 2, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wird in Kombination mit einem Basisplasmabehandlungsgerät 5 verwendet, welches in einer dritten Ausführungsform der Erfindung, ein Magnetron mit einem drehbaren Magnetrontarget 19 ist. Rotierende Permanentmagnetsysteme sind an einem Halter 20 zusammen mit einem stationären Magnetsystem 14 angeordnet. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme beeinflussen das magnetische Feld des stationären Magnetsystems und machen sowohl die Verteilung des magnetischen Flusses und den Wert der magnetischen Induktion an dem drehbaren Magnetrontarget zeitabhängig. Wenn eine einfache Drehung der rotierenden Permanentmagnetsysteme verwendet wird, ist es ebenfalls möglich das Antriebssystem wegzulassen und das Permanentmagnetsystem durch das rotierende Magnetrontarget seinerseits zu drehen. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme erlauben einen Magnetronbetrieb sowohl in einem unsymmetrischen und einem geschlossenen Betriebszustand simultan mit der Änderung ihrer Position in Bezug auf das Target. Dies ist eine einzigartige Anwendung, die in konventionellen Magnetrons unmöglich ist.
Bezug nehmend auf 4 wird eine vierte Ausführungsform eines Plasmabehandlungsgeräts mit rotierenden Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Mehrere Paare eines ersten rotierenden Permanentmagnetsystems 1 und eines zweiten rotierenden Permanentmagnetsystems 2 sind einander gegenüberliegend angebracht in einem Basisplasmabehandlungsgerät 5 angeordnet, welches in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein aktives Plasma 21 in einem Reaktor 22 repräsentiert. Die Paare von rotierenden Permanentmagnetsystemen können auf der Außen- und/oder Innenseite des Reaktors angeordnet sein. Bewegungen der rotierenden Permanentmagnetsysteme, z. B. eine einfache Drehung wie in 4 dargestellt, bewirken periodische Änderungen im Plasmaeinschluss, was die Bildung von Plasmaregionen 23 zeitabhängiger Dichte zur Folge hat. Zeitabhängige Änderungen der Plasmadichte, z. B. ein Pulsieren, können mit anderen Parametern korellieren, z. B. einer pulsierenden Einströmung von Gasreaktanten, einer pulsierenden Erzeugung des Plasmas usw. Plasmabehandlungszustände dieser Art können in einer Vielzahl von Anwendungen sehr interessant sein, z. B. wenn eine zeitabhängige Interaktion des Plasmas mit Substratoberflächen benötigt wird für unterbrochene Ablagerungen, Niedertemperaturbehandlungen usw.
BEISPIELE
Bezug nehmend auf 5 wird ein erstes Beispiel, bezogen auf die erste Ausführungsform des in 1 dargestellten Plasmabehandlungsgeräts beschrieben. Eine schematische Figur zeigt eine Schnittdarstellung der rotierenden Permanentmagnetsysteme 1 und 2 in verschiedenen Winkelpositionen mit Bezug zu Hohlkathodenplatten 8, in diesem Fall sequenziell 45° Änderungen von 0° bis 315°, und entsprechende Seitenansicht einer Elektrodenplatte 8. Zeitvariable Winkelposition der rotierenden Permanentmagnetsysteme verursachen zeitvariable Formen der magnetischen Flusslinien 6 zwischen den rotierenden Permanentmagnetsystemen und folglich eine zeitabhängige Form der Hohlkathodenentladung 10. Änderungen in der Hohlkathodenentladung folgen auf Änderungen in Parametern der Heißzonen 15 auf den Kathodenplatten 8, wo ein verbesserter Ionenbeschuss, thermische und sekundäre Emissionen von Elektronen ebenso wie eine verstärkte Erosion des Kathodenplattenmaterials stattfindet. Eine Bewegung der rotierenden Permanentmagnetsysteme, z. B. durch einfache Drehung, mittelt die Temperaturverteilung entlang der Heißzonen vorteilhaft und folglich die resultierende Gleichmäßigkeit der Plasmabehandlung entlang der Hohlkatode.
Bezug nehmend auf 6 wird ein zweites Beispiel, bezogen auf eine erste Ausführungsform des in 1 dargestellten Plasmabehandlungsgeräts beschrieben. Eine schematische Fig. zeigt Schnittansicht der rotierenden Permanentmagnetsysteme 1 und 2 in verschiedenen Winkelpositionen mit Bezug zu Hohlkatodenplatten 8, in diesem Fall sequenziell 45° Änderungen von 0° bis 315°, und auf ein stationäres Magnetsystem 14. Zeitveränderliche Winkelpositionen der rotierenden Permanentmagnetsysteme bewirken eine zeitveränderliche Gestalt der magnetischen Flusslinien 6 zwischen den rotierenden Permanentmagnetsystemen und dies wirkt sich ebenfalls auf die stationären magnetischen Flusslinien 9 aus.
Es resultiert in zeitabhängigen Formen von sowohl einer Hohlkatodenentladung 10 und des durch das Gerät hergestellten Plasmas 7.
Bezug nehmend auf 7 wird ein drittes Beispiel in Bezug auf eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Plasmabehandlungsgeräts dargestellt. Eine schematische Fig. zeigt eine Querschnittsdarstellung von rotierenden Permanentmagnetsystemen 1 und 2, die in Kombination mit einem Magnetrongerät installiert sind, in verschiedenen Winkelpositionen, in diesem Fall sequenziell 45° Änderung von 0° bis 315° mit Bezug zu einem stationären Magnetsystem 14 und zu einem Magnetrontarget 16. Zeitvariable andere Positionen der rotierenden Permanentmagnetsysteme bewirken zeitvariable Formen der magnetischen Flusslinien 6, welche ein Magnetrontarget 16 durchqueren. Das Ergebnis ist eine zeitabhängige Form der Magnetronentladung 17. In diesem Beispiel sind die rotierenden Permanentmagnetsysteme in einem Magnetron installiert mit ausgewogenen Feldeinstellungen und verursachen eine Unsymmetrie in einem Teil des stationären Magnetfelds. Bewegung der rotierenden Permanentmagnetsysteme, z. B. eine einfache Drehung, kreiert zeitabhängige Verlagerungen zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Teilen des Felds. Folglich können Magnetronerosionszonen sich erstrecken und es kann sich sowohl eine unsymmetrische Region als auch eine symmetrische Region der Magnetronentladung periodisch über das Target bewegen.
Bezug nehmend auf 8 wird ein viertes Beispiel mit Bezug zu einer in 2 dargestellten zweiten Ausführung des Plasmabehandlungsgeräts beschrieben. Eine schematische Fig. zeigt eine Schnittdarstellung der rotierenden Permanentmagnetsysteme 1 und 2, die in Kombination mit einem Magnetrondiodengerät in unterschiedlichen Winkelpositionen installiert sind, in diesem Fall sequenziell 45° Änderung von 0° bis 315°, mit Bezug zu einem stationären. Magnetsystem 14 und einem Magnetrontarget 16. Zeitveränderliche Winkelpositionen in den rotierenden Permanentmagnetsystemen verursachen zeitveränderliche Formen der magnetischen Flusslinien 6, die das Magnetrontarget 16 durchqueren. Dies resultiert in einer zeitabhängigen Form der Magnetronentladung 17. In diesem Bespiel sind die rotierenden Permanentmagnetsysteme in einem Magnetron mit unsymmetrischen Feldeinstellungen installiert und verursachen eine Symmetrisierung eines Abschnitts des stationären Magnetfelds. Bewegung der rotierenden Permanentmagnetsysteme, z. B. eine einfache Drehung, erzeugt zeitabhängige Verlagerungen zwischen geschlossenen und unsymmetrischen Abschnitten des Felds. Folglich können sich die Magnetronerosionszonen erstrecken und eine unsymmetrische Region und eine symmetrische Region der Magnetronentladung bewegt sich periodisch über das Target.
Schließlich wird mit Bezug zu 9 ein fünftes Beispiel entsprechend sämtlichen Ausführungsformen des Plasmabehandlungsgeräts gemäß der Erfindung beschrieben. Die Fig. zeigt ein Beispiel von rotierenden Permanentmagnetsystemen 1 und 2 mit einzelnen Permanentmagneten 3, die entlang Rotationsachsen 24, 25 der jeweiligen rotierenden Permanentmagnetsysteme 1 und 2 installiert sind. Einzelne Magnete haben einen bestimmten Winkel mit Bezug zu beiden Nachbarmagneten, z. B. 22,5°. Diese besondere Ausführungsform von einzelnen Magneten führt zu einer axialen Abhängigkeit von Formen von zeitvariablen magnetischen Flusslinien 6. Diese Art von Magnetanordnung kann vorteilhaft verwendet werden zur Steuerung von Entladungen in Plasmabehandlunsgeräten. Dies resultiert in komplexeren Formen von zeitabhängigen Entladungen, die z. B. periodisch entlang des Hohlkatodenauslasses bewegt werden können oder sowohl entlang als auch quer zu dem Magnetrontarget usw.
Das Plasmabehandlungsgerät mit rotierenden Magneten gemäß der Erfindung hat eine Vielzahl von möglichen Anwendungen in Plasmatechnologie. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme erlauben den Ersatz „starrer” Konzepte von Behandlungsentladungen durch zeit- und raumsteuerbare aktive Medien. Eigenschaften von solchen Medien erinnern an gepulste Art der Behandlung, jedoch ist eine bessere Stabilität und Steuerung möglich aufgrund der zeitgesteuerten Änderungen. Eine Gleichförmigkeit der Plasmabehandlung wird ebenfalls verbessert. Anstatt eines „perfekten Ablaufs”, der gewöhnlicherweise von dem Behandlungsplasma gefordert wird, kann eine natürliche „Unordnung” festgelegt und gesteuert werden durch spezielle Ausführungsformen der rotierenden Permanentmagnetsysteme. Solche Ausführungsformen können z. B. auf Planet-Typ-Bewegungen der rotierenden Permanentmagnetsysteme basieren, auf verschiedenen magnetischen Induktionen von einzelnen Permanentmagneten in den rotierenden Permanentmagnetsystemen, auf simultanen Bewegungen sämtlicher Magnete in dem Gerät usw. Die rotierenden Permanentmagnetsysteme können verwendet werden in neuen Typen von Plasmaquellen wobei Zeit- oder Raumsteuerung der Entladung benötigt wird.

Claims

Plasmabehandlungsgerät, umfassend Mittel zur Generierung einer Plasmaentladung; Mittel zur Begrenzung der Plasmaentladung in einem Magnetfeld; zumindest ein Paar eines ersten rotierenden Permanentmagnetsystems (1) und eines zweiten rotierenden Permanentmagnetsystems (2) einander gegenüberliegend angeordnet; und eine in Kombination mit dem rotierenden Permanentmagnetsystem benutzte Basisplasmabehandlungsvorrichtung (5) zur Bildung zeitvariabler magnetischer Feldlinien (6) und zur Wirkung auf ein durch die Basisplasmabehandlungsvorrichtung hergestelltes Plasma (7) dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Permanentmagnetsysteme einzelne Permanentmagnete umfassen, die entlang Rotationsachsen (24) und (25) des ersten Permanentmagnetsystems (1) bzw. des zweiten Permanentmagnetsystems (2) angebracht sind; dass die einzelnen Permanentmagnete eine maximale magnetische Induktion von mehr als 10^–1 Tesla aufweisen; und dass ein Antriebssystem (4) zum Antrieb einer Bewegung der Permanentmagnetsysteme in entgegengesetzten Richtungen mit Bezug zueinander angeordnet ist; und dass ein ein Sensorsystem (12) und ein Rückkopplungssystem (13) umfassendes Steuerungssystem (11) mit dem Antriebssystem verbunden und zur Bewegungssteuerung der Permanentmagnete in den rotierenden Permanentmagnetsystemen mit Bezug auf Änderungen in dem Plasma angeordnet ist.
Plasmabehandlungsgerät zur Lichtbogenentladungsbehandlung, umfassend: Mittel zur Generierung einer Plasmaentladung; Mittel zur Begrenzung der Plasmaentladung in einem Magnetfeld; eine Basisplasmabehandlungsvorrichtung (5), umfassend einen linearen Lichtbogenentladungsmechnismus mit zumindest einem in einer magnetischen Feld angeordneten Paar Hohlkathodenplatten (8), gekennzeichnet durch zumindest ein Paar eines ersten rotierenden Permanentmagnetsystems (1) und eines zweiten rotierenden Permanentmagnetsystems (2) umfassend einzelne Permanentmagnete (3), wobei die ersten und zweiten Permanentmagnetsysteme einander gegenüberliegend angeordnet sind; die einzelnen eine maximale magnetische Induktion von mehr als 10^–1 Tesla aufweisenden Permanentmagnete; ein Antriebssystem (4), angeordnet zum Antrieb einer Bewegung der Permanentmagnetsysteme in den rotierenden Permanentmagnetsystemen; wobei stationäre magnetische Feldlinien (9) durch von den rotierenden Permanentmagnetsystemen zur Generierung eines zeitabhängigen Hohlkathodenplasmas (10) erzeugte zeitvariable magnetische Feldlinien (6) entweder ersetzt oder beeinflusst werden; und ein ein Sensorsystem (12) und ein Rückkopplungssystem (13) umfassendes Steuerungssystem (11), verbunden mit dem Antriebssystem und angeordnet zur Bewegungssteuerung der Permanentmagnete in den rotierenden Permanentmagnetsystemen mit Bezug auf Änderungen des zeitabhängigen Hohlkathodenplasmas.
Plasmabehandlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplasmabehandlungsvorrichtung (5) eine Magnetronvorrichtung mit einem stationären Magnetsystem (14) umfasst, wobei die rotierenden Permanentmagnetsysteme zur Bildung der zeitvariablen magnetischen Feldlinien angeordnet sind, die ein Magnetrontarget (16) zur Generierung eines zeitabhängigen Magnetronplasmas (17) durchqueren.
Plasmabehandlungsgerät nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplasmabehandlungsvorrichtung (5) eine Magnetronvorrichtung mit einem drehbaren Magnetrontarget (19) umfasst, wobei die rotierenden Permanentmagnetsysteme zusammen mit dem stationären Magnetsystem an einem Halter (20) befestigt sind.
Plasmabehandlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplasmabehandlungsvorrichtung (5) ein aktives Plasma (21) in einem Reaktor (22) umfasst, wobei die rotierenden Permanentmagnetsysteme zur Bildung der zeitveränderlichen magnetischen Feldlinien zur Generierung zeitabhängiger dichter Plasmabereiche (23) außerhalb und/oder innerhalb des Reaktors angeordnet sind.
Plasmabehandlungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Permanentmagnetsysteme einzelne Permanentmagnete mit unterschiedlichen maximalen magnetischen Induktionen und/oder unterschiedlichen Richtungen magnetischer Feldlinien umfassen.
Plasmabehandlungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem zur Steuerung der Bewegung der Permanentmagnete in den rotierenden Permanentmagnetsystemen den Antrieb der rotierenden Permanentmagnetsysteme in einer schrittweisen Bewegung oder einem Schwingungsbetriebsmodus um ausgewählte Positionen herum ermöglicht.