EP0462377B1

EP0462377B1 - Ionenquelle

Info

Publication number: EP0462377B1
Application number: EP91106642A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Dr. Müller; Roland Dr. Gesche; Manfred Dipl.-Ing. Zipf (Fh)
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1996-05-22
Anticipated expiration: 2011-04-25
Also published as: EP0462377A3; EP0462377A2; US5124526A; JPH06342637A; DE4019729A1; DE59107831D1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ionen- und Plasmaquellen werden für zahlreiche Anwendungsfälle benötigt, beispielsweise um bestimmte Materialien zu ätzen oder zu beschichten. In der Regel weisen die bekannten Ionen- und Plasmaquellen eine Gaskammer auf, in der gasförmige Materie in elektrisch geladene Teilchen aufgespalten wird, die dann aufgrund ihrer Eigenbeschleunigung oder mit Hilfe von Extraktionsgittern auf das zu ätzende oder zu beschichtende Material gebracht werden.
Es ist bereits eine induktiv angeregte Ionenquelle bekannt, die einen Behälter für die Aufnahme von zu ionisierendem Plasma aufweist, wobei dieser Behälter von einem Wellenleiter umgeben ist, der mit einem Hochfrequenzgenerator in Verbindung steht (US-PS 4 849 675). Hierbei liegen die beiden Enden des Wellenleiters auf demselben Potential und die Länge des Wellenleiters beträgt $n· \frac{c}{2f},$
wobei n eine von Null verschiedene ganze Zahl, c die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle und f die Frequenz des Hochfrequenzgenerators ist. Die Frequenz des Hochfrequenzgenerators wird mittels besonderer Abstimmittel auf die Eigenfrequenz des Systems abgestimmt, das aus dem Wellenleiter, dem zu ionisierenden Plasma besteht, oder auf eine harmonische Frequenz zu dieser Eigenfrequenz.
Der Hochfrequenzgenerator ist relativ aufwendig aufgebaut. Außerdem sind der Hochfrequenzgenerator und die Anregungsspule der Ionenquelle räumlich voneinander getrennt und nur über ein Ankoppelkabel miteinander verbunden. Um die Arbeitsfrequenz der Ionenquelle an die Arbeitsfrequenz des Senders anzupassen, ist ein besonderes Ankoppelnetzwerk erforderlich.
Weiterhin ist ein Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einer rohrförmigen Brennkammer bekannt, die von einer mehrere Windungen aufweisenden Induktionsspule umgeben ist (DE-B-20 04 839). Diese Induktionsspule wird von einem Oszillator gespeist, der getrennt von der Brennkammer angeordnet ist. Zur Anpassung der Arbeitsfrequenz der Brennkammer mit dem Plasma an die Arbeitsfrequenz des Oszillators ist eine regelbare Spule vorgesehen, die in Reihe zur eigentlichen Induktionsspule geschaltet ist.
Eine andere bekannte Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma, die mit Mikrowellen arbeitet, weist ein Gehäuse auf, von dem alle wesentlichen Komponenten eingeschlossen werden (US-A-3 814 983). Hierbei wird die Mikrowellenenergie über einen Rechteckhohlleiter auf eine besondere Wellenausbreitungsstruktur gegeben. Die Anregung des Plasmas erfolgt indessen nicht mit einer Induktionsspule, die Teil eines Schwingkreises ist.
Schließlich ist auch noch eine Plasmaquelle bekannt, die einen Gasbehälter aufweist, der von einer HF-Anregungsspule umgeben ist, die mit einem Verstärkungselement in Verbindung steht (US-PS 3 958 883). Bei dieser bekannten Plasmaquelle ist parallel zur HF-Anregungsspule ein Abstimmkondensator vorgesehen, um die Eigenfrequenz des aus Spule und Kondensator gebildeten Schwingkreises abzustimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer induktiv angeregten Ionen- oder Plasmaquelle auf Ankoppelnetzwerke für die Anregungsspule sowie auf frequenzbestimmende Abstimmkondensatoren zu verzichten.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß automatisch ein Einschwingen auf die optimale Arbeitsfrequenz erzielt wird. Außerdem läßt sich die gesamte Ionenquelle als sehr kleines Bauelement realisieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer räumlichen konstruktiven Ausführungsform einer Erfindung.

In der Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, welche eine Hochfrequenz-Anregungsspule 1 zeigt, die aus zwei Lagen 2, 3 besteht, die um einen nicht dargestellten Plasmabehälter aus Quarz geschlungen sind. Die Hochfrequenz-Anregungsspule 1 steht mit ihrem einen Anschluß 4 über einen Koppelkondensator 5 mit der Anode 6 einer Triodenröhre 7 in Verbindung. Der andere Anschluß 8 der Anregungsspule 1 liegt an Masse 9. An der Anode 6 steht über eine Induktivität 10 die positive Polarität einer Gleichspannung von z. B. 3 kV an. Das Steuergitter 11 der Triodenröhre 7 ist über eine Induktivität 12 mit einem π-Glied verbunden, das als Tiefpaßgrundglied wirkt und aus einer Längsinduktivität 13 und zwei Querkapazitäten 14, 15 besteht. An dieses π-Glied ist ein Potentiometer 16 angeschlossen, dessen Regelanschluß 17 mit einem Amperemeter 18 verbunden ist.
Aufgabe des π-Glieds 13, 14, 15 ist es, die Beeinflussung des Potentiometers 16 und des Amperemeters 18 zu unterbinden, ohne die Vorspannungseinstellung des Gitters 11, die mit Gleichspannung erfolgt, zu beeinträchtigen. Außerdem soll das π-Glied 13 bis 15 verhindern, daß Hochfrequenzen nach draußen gelangen.
Die bisher beschriebene Schaltungsanordnung ist von einem metallischen Gehäuse 19 umgeben, das mehrere Durchführungskondensatoren 20 bis 23 in der Gehäusewand aufweist. Diese Durchführungskondensatoren 20 bis 23 sind z. B. für Nennspannungen von 440 V Gleichspannung, 250 V Wechselspannung und 16 A Nennstrom ausgelegt. Über die Durchführungskondensatoren 21, 22 erfolgt die Versorgung mit Heizspannung U_F, die z. B. 6,3 V Wechselspannung beträgt, während über den Durchführungskondensator 20 der Steuergitterstrom I_G fließt. Zwischen dem metallischen Gehäuse 19, das an Masse 24 liegt, und den Niederfrequenzleitungen 25 bis 28, die durch die Gehäusewand 19 geführt sind, liegen Blockkondensatoren 29 bis 32, die z. B. eine Kapazität von 4700 pF und eine Spannungsfestigkeit von 3 kV besitzen. Weitere Blockkondensatoren 33, 34 liegen zwischen einem Anschluß des π-Glieds 13, 14, 15 und der Gehäusewand 19 sowie zwischen der Anoden-Hochspannungszuführung 35 und der Gehäusewand 19. Auch zwischen den beiden Kathodenheizdrähten 26, 27 ist in unmittelbarer Nähe der Röhre 7 ein Blockkondensator 42 vorgesehen.
In der linken oberen Ecke des Gehäuses 19 ist ein Lüftermotor 36 dargestellt, von dem elektrische Anschlußleitungen 37, 38, 39 durch das Gehäuse 19 nach außen geführt sind. Die Voreinstellung des Gitters 11 der Röhre 7 erfolgt mit Hilfe des Potentiometers 16 und über den inneren Widerstand der Röhre 7. Die Stromleitung innerhalb der Röhre 7 erfolgt hauptsächlich über den Elektronenfluß zwischen Kathode 40 und Anode 6, wenn die Kathodenheizspannung U_F und die Anodengleichspannung U_a angelegt wurden. Das Röhrengitter 11, mit dem der Stromfluß gesteuert werden kann, liegt in Bezug auf die Anode 6 auf negativem Potential. Je niedriger dieses Potential ist, um so weniger Elektronen gelangen von der Kathode 40 zur Anode 6.
Die Strecke Anode 6 - Gitter 11 - Potentiometer 16 stellt einen Spannungsteiler zur Gittervorspannungseinstellung dar. Die an diesem Spannungsteiler anliegende Spannung ist die Anodengleichspannung U_a.
Die Induktivitäten 12, 13 stellen für Gleichstrom einen Kurzschluß dar, so daß über das Amperemeter 18 der Gitterstrom gemessen werden kann.
Das Wechselspannungssignal der Hochfrequenz-Anregungsspule 1 gelangt über eine innere Röhrenkapazität 41 auf das Gitter 11, wodurch die Anordnung aus Röhre 7 und Hochfrequenz-Anregungsspule 1 beeinflußt wird. Da diese Anordnung durch immer vorhandenes Spannungsrauschen zu schwingen beginnt, werden diese Schwingungen durch die Eigenfrequenz der Gesamtanordnung festgelegt.
Diese Eigenfrequenz kann sich fortlaufend verändern und wird durch die Induktivität der Spule 1, die elektrischen Eigenschaften der Plasmakammer und die Röhrenkapazität 41 bestimmt. Spule 1 und Röhre 7 bilden somit gemeinsam das Kernstück eines Oszillators, der frei schwingt und dessen Resonanzfrequenz - da Spule 1 und Röhre 7 von ihrem Aufbau her praktisch unverändert bleiben - durch die Eigenschaften der Plasmakammer geändert wird.
In der Fig. 2 ist der mechanisch konstrucktive Aufbau der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung dargestellt. Diejenigen Bauteile, welche funktionsmäßig einander entsprechen, sind in der Fig. 2 mit denselben Bezugszahlen versehen wie in der Fig. 1. Man erkennt aus der Fig. 2, daß die Röhre 7 und die Anregungsspule 1 gemeinsam von dem metallischen Gehäuse 19 umschlossen sind. Die Anregungsspule 1 ist um ein Glasgefäß 50 gelegt, das einen Gaszuführungsstutzen 51 aufweist, der mit einer außerhalb des Gehäuses 19 angeordneten Gaszuführung 53 in Verbindung steht. Diese Gaszuführung 53 ist mit einer Rändelschraube 54 auf das Gehäuse 19 geschraubt. Ein Druckring 55 sitzt auf einer metallischen Einfassung 56 des Glasgefäßes 50 und steht über einen elastischen Dichtungsring 56 mit diesem Glasgefäß 50 in Verbindung. Die Windungen der Spule 1 sind wassergekühlt und deshalb mit Kühlwasserzuführungen 57, 58 verbunden.
Am Boden des Glasgefäßes sind drei Extraktionsgitter 59, 60, 61 angeordnet, mit denen der Strom geladener oder ungeladener Teilchen gesteuert werden kann. Mit 62, 63 ist ein Sockel der Ionenkammer bezeichnet, der über Schrauben 64, 65 mit dem Gehäuse 19 verbunden ist und mit einer nicht dargestellten Arbeitskammer in Verbindung steht. In dieser Arbeitskammer befinden sich die Materialien, die durch geladene Teilchen bombardiert werden.
Die Schnittstelle zur Arbeitskammer ist durch eine Dichtung 66 charakterisiert. Die Röhre 7 ist mit ihren Anschlüssen 67, 68 auf einem Sockel 69 angeordnet, der seinerseits mit dem Gehäuse 19 verbunden ist. Für die Spule 12 ist ein eigener Stützisolator 70 vorgesehen, der ebenfalls mit dem Gehäuse 19 verbunden ist.
Der Gitterwiderstand 16 kann durch ein Drehrad 71 verstellt werden. Mit 72, 73 sind Buchsen für den Anschluß der Heizspannung U_F bezeichnet. Wichtig für die vorliegende Erfindung ist der Umstand, daß die Verbindungsleitung 74 zwischen der Anode 6 der Röhre 7 und der Anregungsspule 1 sehr kurz ist.
Der Lüftermotor 36 ist in der Fig. 2 nicht zu erkennen. Er ist jedoch wichtig, da es sich bei der verwendeten Röhre 7 um eine strahlungsgekühlte Triode handelt, bei der vor Inbetriebnahme das Gebläse eingeschaltet werden muß. Vorzugsweise wird diese Röhre 7 im C-Betrieb gefahren, was durch eine entsprechend große negative Vorspannung erreicht wird. Ein C-Verstärker ist ein Selektivverstärker mit hohem Wirkungsgrad.
Der Plasmaraum wird zum großen Teil durch das Glasgefäß 50 realisiert, das z. B. bei einer Wandstärke von 3 mm 63 mm hoch ist und einen Durchmesser von 46 mm aufweist. Im Gaseinlaßstutzen 51 kann ein dichtes Drahtgeflecht vorgesehen sein, das ein Bremsen des Plasmas in der Gaszuführung verhindert.
Statt einer Röhre kann grundsätzlich auch ein anderes Steuerelement, z. B. ein Transistor oder ein Thyristor, verwendet werden.

Claims

Ionenquelle zur Erzeugung eines Plasmas mit
1.1 einem Gasbehälter (50), in dem das Plasma erzeugt wird, und

1.2 einer diesen Gasbehälter (50) umgebenden HF-Anregungsspule (1) sowie mit

1.3 einem Verstärkungselement (7), das eine Steuerelektrode (11) aufweist,
1.3.1 wobei die Anregungsspule (1) mit einer Elektrode (z. B. 6) des Verstärkungselements (7) verbunden ist, über welche ein gesteuerter Strom fließt, und

1.3.2 wobei die Steuerelektrode (11) des Verstärkungselements (7) wechselstrommäßig (z. B. über 41) mit der HF-Anregungsspule (1) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Gasbehälter (50) und die ihn umgebende HF-Anregungsspule (1) sowie das Verstärkungselement (7) gemeinsam in einem metallischen Gehäuse (19) untergebracht sind und daß die Eigenfrequenz des Schwingkreises, dessen Bestandteil die HF-Anregungsspule (1) ist, durch die Induktivität dieser Anregungsspule (1) und durch die elektrischen Eigenschaften des Plasmas bestimmt ist.
Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der einen Elektrode (6) des Verstärkungselements (7) und der HF-Anregungsspule (1) klein ist.
Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand etwa gleich oder kleiner ist als die Querabmessung der HF-Anregungsspule (1).
Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement eine Röhre (7) ist.
Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement ein Transistor ist.
Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (7) eine Triode ist.
Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzröhre (7) als C-Verstärker geschaltet ist, so daß nur die Spitzen der Gitterwechselspannung verstärkt werden.
Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Anregungsspule (1) von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leitungen (26, 27, 35) über Durchführungskondensatoren (29 bis 32) in das Gehäuse (19) eingeführt sind.