SE532505C2 - Förfarande för plasmaaktiverad kemisk ångdeponering och plasmasönderdelningsenhet - Google Patents

Description

20 25 30 532 505 2 kan problem förbundna med undertryckande av uppkomst av ljusbågar och elektrisk iörspärining av arbetsstyckena vara av betydelse, se den publicerade internationella patentansökningen WO 2007/024765 och den publicerade japanska patentansökningen 2006093342.

Ett andra problem inom CVD-tekniken är utformning och optimering av CVD-reaktorerna.

Följande huvudtyper av den geometriska utformningen av reaktorer kan nämnas.

- Reaktorer av duschmunstyckstyp, se den publicerade U.S.-patentansökningen 2004127067 - Rörforrni ga reaktorer, se den publicerade internationella patentansökningen WO 01/61 070 Utformningen av reaktorer varierar beroende på vilket förfarande som används för plasmaexcitationen.

En av de betydelsefulla delarna i reaktorn är den katod, som används vid den elektriska ur- laddningen. Under senare år har magnetronliloiande katoder använts, se de publicerade japanska patentansökningarna 2005/022950 och 2005/272948. Magnetronkatoder är typiska komponenter inom tekniken med fysisk ångdeponering (PVD) och tillhörande anordningar. Sett från denna synpunkt kombineras i reaktorn CVD- och PVD-principerna och kan därför benämnas en CVD- PVD-reaktor av hybridtyp.

Det framgår alltså, att aktiv utveckling av CVD-förfarandena och motsvarande anordningar har fortsatt under flera decennier. Fortfarande erfordras utveckling inom alla de nämnda områ- dena inom CVD-tekniken. Särskilt innefattar dessa: förfaranden för excitation av plasmat, ut- formning och optimering av reaktorn, undertryckande av ljusbägar och elektrisk förspänning av arbetsstyckena.

PA CVD-, PA PVD- och hybridmetoder av dessa används allmänt för deponering av materialskikt på arbetsstycken. En av de kritiska parametrarna är deponeringshastigheten. Det karakteristiska värdet för denna parameter, som beskrivs till exempel i den ovan anförda, publi- cerade japanska patentansökníngen 2006/270097, är 790 nrn/mín. Bildandet av plasmat åstad- koms med hjälp av RF-urladdningar. Modem teknik erfordrar deponeringshastigheter, som är 10 - 20 gångar högre för att deponera tjocka skikt of omkring 1000 um på arbetsstycken med stora ytor, som har invecklad form. En kritisk pararneter är därför kostnaden för en industriell CVD-beläggningsmaskin. Att åstadkomma effektiv deponering med hjälp av RF- och mikro- vågsmetoder är alltför kostsamt för arbetsstycken, som har invecklad form och erfordrar stort ut- rymme.

Den billigaste lösningen är DC-principen. Den svaga sidan hos derma metod är den låga deponeringshastigheten orsakad av låg urladdningsström mellan elektroderrra. För att öka ur- laddningsströmmen används en katod med ett eifektivitetshöjande magnetfält, se de ovan an- förda publicerade japanska patentansökningama 2005/272948 och 2005/022950. Detta förfa- 10 15 20 532 505 3 rande är dock fortfarande inte tillräckligt för att åstadkomma en deponeringshastighet, som är större än omkring 10 tim/h.

Emellertid är inom PA PVD-tekniken magnetronsputtring med höga elektriska strömmar känd inom vida kretsar, se U.S.-patentet 6,296,742, den publicerade internationella patentansök- ningen WO 2006/049566 och publicerad U.S.-patentansökan 2004/020760. Den svaga sidan hos magnetronsputtring med höga elektriska strömmar är, att deponeringshastigheten minskar pro- portionellt vid en ökning av urladdningssnömmen, jämför den publicerade internationella pa- tentansökningen WO 2005/050696, Fig. 2a. Å andra sidan ökar joniseringen av den sputtrade ångan.

Det finns fem huvudproblem, som måste lösas, för att åstadkomma effektiv användning av elektriska urladdningar med höga elektriska strömmar och korta “duty cycles" för sönderdelning av komplexa molekyler i en CVD-reaktor. l. Hög plasmadensitet. Sönderdelningen vid PA CVD åstadkoms genom att molekyler kolliderar med elektroner, som fimis tillgängliga i plasmat. Efter sönderdelníngen deponeras radikaler av fasta ämnen såsom Si, C på arbetsstycken. För att åstadkomma en hög deponeringshastighet är det nödvändigt att åstadkomma en hög elektrondensitet i det alstrade plasmat. På grund av den allmänna kvasineutraliteten hos ett plasma betyder detta, att det är nödvändigt att åstadkomma en hög plasmadensitet. Denna kan åstadkommas med hjälp av pulsade elektriska urladdningar med hög elektrisk strömstyrka och kort "duty cycle" mellan elektrodemai en PA CVD-reaktor. 2. Hög elektronenergi. Det är nödvändigt att åstadkomma en elektronenergi som är tillräcklig för sönderdelning av molekylerna. Den erforderliga karakteristiska energin är i området av några elektronvolt upp till några dussin of elektronvolt. 3. Låg katoderosion. På grund av sputtringseffekten blir urladdningsgapets katod eroderad, vilket leder till, att det är nödvändigt att periodiskt ersätta katoden med en ny. Deponeringshastigheten 25 från katodsputtring är i själva verket mindre än 10 % av den totala deponeringshastigheten. Den 30 utgör fortfarande en betydande andel och den parasitiska effekten av katodsputtring bör sålunda minimeras. 4. Elektrodutformning. Vid de flesta tillämpningar har de deponerade materialskikten mycket låg elektrisk konduktivitet eller är nästan dielektriska. Dessa material täcker elektrodernas ytor och gör att de blir elektrisk icke~ledande. Problemets huvuddel hänßr sig till urladdningsanoden, ef- tersom katoden i tillräckligt hög grad kan rengöras genom sputtring. Det dielektriska skiktet omöjliggör urladdningarna. Detta fenomen är också parasitiskt och en speciell elektrodutforin- ning erfordras. 5. Undertrvckande av liusbågzg. Förefmtligheten av skikt med låg elektrisk konduktivitet eller 10 15 20 25 30 532 505 4 dielektriska skikt vid elektroderrra ger också upphov till en slumpmässig transformation av dif- fusa glödurladdrringar till ljusbågsurladdningar. Detta förstör deponeringsprocessen och skikten på arbetsstyckena Därför erfordras undertryckande av ljusbågar.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med uppfinrringen att anvisa effektiva förfaranden för CVD och lik- nande processer.

Det är ytterligare ett ändamål med uppfinningen att anvisa effektiva anordningar och komponenter ingående i dessa för CVD och liknande processer.

Vart och ett av de problem, som beskrivs i punkterna 1 - 5 ovan, kan minskas eller till och med minimeras, taget vart och ett för sig självt eller i kombination med något visst armat pro- blem eller vissa andra problem, genom att använda de här beskrivna förfarandena och anord- ningarna, åtminstone i vissa fall. Den använda huvudprincipen är transformation of diffusa glöd- urladdriingar med hög elektrisk spänning till diffusa glödurladdningar med låg elektrisk spänning genom lämpliga kombinationer av följ ande parametrar: - Dimensioner hos CVD-reaktorn - Den magnetiska fáltstyrkan - Urladdningsströmmens värde Det befanns, att genom att öka urladdningsströmmen mellan samma elektroder vid PA CVD-processen ökar deponeringshastigheten proportionellt mot ökningen av den elektriska strömmen. Dessutom ökar joniseringshastigheten/-andelen för den gas, som kommer in i urladd- ningen.

Vidare befanns, att om dessa parametrars värden väljs korrekt, kan urladdningsspänriingen vara t ex ca 70 V. Urladdningarna fördelas nästa likforrrrigt över katodens yta. Sådana lågspän- ningsurladdningar är ändock i stånd att i tillräckligt hög grad rengöra/sputtra katodens yta.

Elektrondensiteten är upp till 1021 mä och elektrontemperaturen är upp till 20 eV.

Det befanns, att en urladdningscell med ett plasma med dessa pararnetrar är en mycket effektiv CVD-reaktor. Geornetrin hos urladdningselektroderna, gastillförselsystem och vakuum- system kan också optimeras såsom skall beskrivas nedan.

Användning av de här beskrivna förfarandena och anordningama kan leda till, att en CVD- deponeringshastighet av ca 200 - 300 um/h uppnås för skikt av kolbaserade material och ca 1000 um/h för PVD. De här beskrivna förfarandena och anordningarna kan möjliggöra depone- ring av tjocka materialskikt. Den karakteristiska skikttjockleken kan t ex vara ca l - 2 mm.

Enligt en som exempel given aspekt används en plasrnasönderdelningserrhet för plas- maaktiverad kemisk ångdeponering, varvid enheten på konventionellt sätt är anordnad i eller 10 15 20 25 30 532 505 5 förbunden med ett vakuumkärl med relativt lågt tryck eller vakuum, till vilket en arbetsgas till- fórs. Periodiskt upprepade spänningspulser anbringas anoden och katoden i plasmasönderdel- ningsenheten på sådant sätt, att pulsade elektriska urladdningar alstras mellan katoden och den omgivande anoden i plasmasönderdelningsenheten. Anoden är utformad på speciellt sätt, så att åtminstone en del av denna erhåller en elektriskt ledande beläggning eller i huvudsak inte någon beläggning alls av deponerat material, när enheten är igång. För detta ändamål kan anoden inne- fatta en del såsom ett flänsparti eller ett kantparti, som är beläget i direkt närhet av katodens fiía yta och är beläget eller sträcker sig över kantområden hos katodens fria yta. På detta sätt kommer anoden att innefatta en del, som är skärmad mot direkt beläggning med partiklar från det bildade plasmat och som sålunda t ex i huvudsak inte erhåller någon dielektrisk beläggning över huvud taget.

Enligt en annan aspekt innefattar allmänt ett förfarande för plasmaaktiverad kemisk ångdeponering och liknande deponeringsförfaranden följ ande fem steg: - Att anordna ett vakuunikärl, i vilken ett relativt låg tryck eller vakuum råder och till vilket en arbetsgas såsom en blandning av en sönderdelningsgas eller en prekursorgas, en reaktiv gas och/eller en sputtringsgas tillförs.

- Att anordna en plasmasönderdelningsenhet, som är anordnad i eller är förbunden med vakuum- kärlet och vid drift sönderdelar de komplexa molekylema i arbetsgasen till laddade eller neutrala radikaler. Plasmasönderdelningsenheten har en anod och en katod. Den kan också sågas ha sina egna anod- och katodutrymmen, så att anoden omger katoclutrynxrnet. Katoden är försedd med ett effektivitetshöjande magnetfält och är elektriskt isolerad från den omgivande anoden.

- Att anordna en behandlingsenhet för arbetsstycken, som innefattar en processkammare. Pro- cesskanirnaren och anod- och katodutrymmena är i direkt kommunikation med varandra.

- Att anordna ett arbetsstycke i processkammaren.

- Att anbringa periodiskt upprepade spänningspulser mellan anoden och katoden i plasmasönder- delningsenheten på sådant sätt, att pulsade elektriska urladdningar alstras mellan katoden och den omgivande anoden i plasmasönderdelningsenheten.

Särskilt kan man anordna, så att vid drift urladdningarna uppträder mellan katoden och sär- slcilt eller i första hand en inre yta hos den omgivande anoden. På ännu mer speciellt sätt kan anoden utformas, så att åtminstone en del av denna erhåller endast en elektriskt ledande belägg- ning eller i huvudsak inte någon beläggning alls, när plasmasönderdelningsenheten och behand- lingseriheten for arbetsstycken är i drift. Anoden kan för detta ändamål innefatta ett parti, som är avskärmat mot direkt beläggning med partiklar från det bildade plasmat.

Enligt en annan aspekt kan processkammare vara uppdelad i två enskilda delar av ett filter 10 15 20 25 30 533 505 6 eller en fälla för utfällning och rekombination av fasta solid och flyktiga radikaler. Vakuumpum- par, som är anordnade for att tillhandahålla det låga trycket i vakuurnkärlet, kan skyddas från så- dana radikaler, om de är anslutna på den "rena" sidan av radikalfiltret eller -fällan Vid drift har arbetsgasen allmänt molekyler, som innefattar atomer av fasta ämnen.

Arbetsgasen diifimderar i plasmastrålen och sönderdelas genom kollisioner med elektroner i plasmat. Arbetsgasblandningen kan tillföras till processkammaren med ett över tiden konstant flöde eller med tidsvariabelt flöde.

Vidare kan förfarandet innefatta, att anordningen är utformad och drivs, så att vid drift motståndet över urladdningsgapet i plasmasönderdelriingserilieten är väsentligen omvänt propor- tionellt mot urladdningsströmmens värde.

Arbetsstycket kan i alla fallen ges en potential, som är negativ i förhållande till anodens potential.

Vid drift kan parametrar inom följande områden användas, tillsammans eller i kombina- tion: - De pulsade urladdningarna kan ha en karakteristisk repetitionsfrekvens i området 1 MHz - 1 kHz - De pulsade urladdningarna kan ha en karakteristisk avklingningstid i omrâdet 1 - 10 000 mikrosekunder.

- Elektronernas energi i plasmasträlen kan vara i området 1 - 30 eV.

- Plasmadensiteten kan vara i området 10" - 1021 ma.

- Gasblandningens arbetstryck kan vara i omrâdet 104 - 101 Torr.

- Det effektivitetshöjande magnetfältet kan ha en tältstyrka i området 0,001 - 0,2 T.

- Arbetsstycket kan vara placerat inom plasmastrålens omrâde på ett avstånd i området 1 - 50 cm från katodens yta Enligt en annan aspekt kan, för att åstadkomma urladdningar mellan en anod och en katod vid en CVD-tillämpning eller en liknande tillämpning, strömpulser anbringas, av vilka alla eller vissa bildas genom att addera strömpulser av låg effekt till varandra. De adderade pulsema, som också benämnas elementärpulser, kan ha någon lämplig form, i synnerhet former med skarpa el- ler spetsiga toppar. De resulterande sammansatta strömpulserna kan ha t ex väsentligen rektang- ulär form.

För en lämplig elektrodutforrnning och lämpliga driftsparanietrar kan det åstadkommas, att urladdningsspänningen är väsentligen konstant under varje sådan sammansatt puls.

För att alstra de adderade pulsema kan en generator anordnas, som innefattar en arbetslina med transformation av den inkommande elektriska effekten först till energin i ett elektriskt fält, 10 15 20 25 30 533 505 7 därefter till energin i ett magnetfält, och slutligen åter till energin i ett elektriskt fält.

Parametrar inom följande områden för de adderade pulserna kan användas, enskilt eller i kombination: - Halvvärdesbredden hos de adderade pulsema kan vara i området 106 - 102 sekunder.

- De adderade pulserna kan ha en repetitionsfrekvens i området 1 MHz - 1 kHz.

- Amplituden hos de adderade pulserna kan varai området 106 - 103 A.

- Den karakteristiska energi, som ackumuleras för bildning av var och en av de enkla adderade pulsema kan vara i området l0'6 - 100 J.

Parametrar inom följande områden fór de resulterade, sammansatta pulserna kan användas, enskilt eller i kombination: i - Pulstiden för de sammansatta pulserna kan vara i området 106 - 100 sekunder.

- De sammansatta pulsemas "duty cycle" kan vara i området 0,5 - 0,1.

- Urladdningsspänningen i de sammansatta pulserna kan varieras från 50 V till 1000 V beroende på innehållet i gasblandningen, trycket och fåltstyrkan hos det eiïektivitetshöjande magnetfältet.

~ Energin i de sammansatta pulserna kan varai området 0.1 - 100 kJ.

- Effekten hos varje sammansatt puls kan vara i området 1 - 100 kW.

I en plasmasönderdelningsenhet fór att alstra ett plasma, som används vid CVD och liknan- de tillämpningar, vid vilka enbart glödurladdningar önskas erhållas, kan undertryckande av ljus- bågar åstadkommas genom att kortsluta anoden och katoden i plasmasönderdelriingsenheten före det faktiska uppträdandet av en elektrisk ljusbåge. Särskilt kan urladdningarnas spänning och ström analyseras med avseende på möjligt uppträdande av oscillationer med hög frekvens och hög amplitud för att avgöra, huruvida det föreligger en tendens för omvandling av en glödur- laddning till en ljusbågsurladdning.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinning skall nu beskrivas i form av ej begränsande, som exempel givna utföranden med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka: - Fig. la är en schematisk bild av en plasmasönderdelningscell för CVD, som är internt monte- rad, - Fig. lb motsvarar Fi g. l för en plasmasönderdelningscell, som är externt monterad, - Fig. 2a är en schematisk bild uppifiån av en processkainmare innefattande fyra plasmasönder- delningsceller, - Fig. Zb är en schematisk bild av gassönderdelningsonirådet ßr plasmasönderdelningscellerna enligt Fig. la och lb, - Fig. 3 är en schematisk bild av en anordning för CVD innefattande en processkammare med två 10 15 20 25 30 532 595 8 motstående plasmasönderdelningsceller och en fälla för alstrade radikaler, - Fig. 4 är ett diagram med kurvor för spänning och ström hos en elektrisk urladdning mellan elektroder i plasmasönderdelningscellerria enligt Fig. l och lb, - Fig. Sa är ett diagram med karakteristiska former hos strömpulser mellan elektroder i plasma- sönderdelningscellerna enligt Fig. l och lb för olika impedanser hos cellen, - Fig. 5b är ett diagram för spännings- och strömpulser i förhållande till ett arbetsstycke för plasmasönderdelningscellema enligt Fig. l och lb, - Fig. 6a, 6b och 6c är diagram för olika former hos strömpulser, vilka används som exempel för datorsimulering innefattande en triangelfonn, en form med exponentiellt avtagande resp. en komplex “bruten” form, - Fig. 7a, 7b, 7c, 7d och 7f är diagram, som visar olika steg vid en datorsirnulering av en princip för bildande av strömpulser innefattande summering av små, exponentiellt avtagande elemenär- pulser, - Fig. 8a - 8c är diagram, som visar resulterande sammansatta strömpulser bildade ur elementär- pulser med olika fördröjningar däremellan enligt en datorsimulering, - Fig. 8d är ett diagram, som visar en resulterande sammansatt puls bildad genom summering av exponentialfiinktionsliknande elementMulser enligt en datorsimulering, - Fig. 8e är ett diagram liknande Fig. 8d men för elementärpulser med “bruten” form enligt en datorsirnulering, - Fig. 8f är ett diagram liknande Fig. Sd men för elementärpulser med triangulär form enligt en datorsirnulering, - Fi g. 9a och 9b är diagram, som visar spännings- och strömkurvor i plasmasönderdelningscel- lerna enligt Fig. la och lb, innan en glödurladdriing övergår till en ljusbägsilrladdning, - Fig. 10 är ett kopplingsschema för de elektriska komponenterna i en strömförsörjningsenhet för att bilda en elementärpuls, och - Fig. lla och llb är schematiska blockdiagrani, som visar principen för elektrisk inbördes för- bíndning av strörnförsörjningsenheter för att alstra elementärpulser.

DETALJERAD BESKRIVNING Plasmaaktiverade förfaranden för kemisk ångdeponering (PA CVD-förfaranden) är basera- de på dissociation, även benämnd sönderdelning eller desintegration, av molekyler orsakad ge- nom kollisioner med elektroner. Dissociationen av molekyler till nya molekyler, molekylfrag- ment och laddade eller neutrala radikaler beroende på kollisioner med elektroner erfordrar, att elektronernas energi är av storleksordningen elektronvolt, dvs att den är mellan keV-området och meV-området. De använda eller alstrade olika molekylema, molekyljonerna och radikalerna har 20 25 30 532 505 9 olika dissociationsenergíer. Allmänt är dissociationsenergin i området 1 - 100 eV ßr både parti- ell och fullständig dissociation. Ofta är den i området 1 - 20 eV. Detta innebär, att det i en sön- derdelriingscell, även benämnd sönderdelningsenhet eller desintegrationscell, alstrade plasmat måste innehålla elektroner, vilkas energi minimalt är av storleksordningen några få elektronvolt, tex minst 5 eV eller allmänt i område 5 - 40 eV. Inom plasmafusionstekniken benämns ett plasma med sådana parametrar ett “kallt plasma”. Det kan jämföras med ett “varmt plasma”, som innefattar elektroner med energier i området 1 - 100 keV.

De olika PA CVD-iörfarandena innefattar alstrande av ett plasma, som har en tillräcklig mängd eller koncentration av energirika elektroner för att möjliggör en effektiv sönderdelning av den använda arbetsgasen. De förfaranden, som används för alstrande av ett plasma i de PA CVD- iörfaranden inom industriområdet för närvarande, är baserade på elektriska urladdningar av nå- got av följande slag: DC-metoder, RF-metoder, mikrovågsmetoder och pulsade metoder. Vinna- ren i denna tävling blir den urladdningsteknik, som möjliggör att energirika elektroner erhålls på billigaste sätt och med den högsta elektrondensiteten och -energin.

Under perioden från 1958 fram till nu har man inte funnit någon bättre teknik för alstrande av kalla plasmas än användning av pulsade urladdningar med hög elektrisk ström i korsade elekt- riska och magnetiska fält. Den mest förekommande experimentella anordningama är de homo- polära och de homopolär-lilcnande anordningama, se K. Halback, W. R. Baker, R. W. Layman, "Production of a Hot Rotating Plasma", Physics Fluids 5 (1962) 1482, B. A. Tozer, "Rotating plasma", Proc. IEEE, vol. 112, nr 1, januari 1965, och B. Lehnert i översiktsartikeln "Rotating Plasmas", Nuclear Fusion 11 (1971), pp. 485-533. I sådana anordningar är den uppnådda plas- madensiteten typiskt 1021 m3 och elektronenergin i området upp till 100 eV. Anordningar av dessa slag utförda enligt modem teknik benämns cylindriska postmagnetroner och inverterade cylindriska postmagnetroner, se J. Reece Roth, "Industrial Plasma Engineering", vol. l, Institute of Physics Publishing, Bristol och Philadelphia, 1995, p. 339. Under den senaste tidsperioden har sådana anordningar i syrmerhet används för att alstra väteplasmas. Huvudparametern hos alla så- dana experimentella anordningar, som är av betydelse fór det här beskrivna förfarandet, år den magnetiska fältstyrkan.

De homopolära anordningama har ett relativt starkt magnet fält, som är i området 0,04 - 0,4 T.

Såsom alternativ till de homopolära anordningarna, i vilka starka magnetfält används, har också system med svagare magnet fält utforskats, se V. N. Bocharov, S. G. Konstantinov, A. M.

Kudriavtsev, 0. K. Myskin, V. M. Panasiuk, A. F. Sorokin, F. A. Tselnik, "Equilibríurn state of the rotating plasma in a mirror trap", Fizika Plazmy, vol. 4, maj-juni 1978, pp. 488-491 (på 10 15 20 25 30 532 505 10 ryska), och S. G. Konstantinov, F. A. Tselnik, "Measurement of the electric field of the rotating plasma", Fizika Plazmy, vol. 1, sep-okt 1975, pp. 802-805 (på ryska).

De huvudsakliga karakteristiska storheterna för alstrande av plasmas i dessa anordningar är den använda urladdningsspänningen och den erhållna plasmadensiteten, som skiljer med ap- proxirnativt en dekad (av storleksordningen 10: 1).

Samma skillnad är känd för magnetronmetoderna. I nuvarande vetenskapliga och industri- ella publikationer beskrivs magnetronkatoder med svaga och starka magnetfält, se den ovan an- förda boken av J. Reece Roth och D.V. Mozgriri, LK. Fetisov, G.V. Khodachenko, "High-current low-pressure quasi-stationaiy discharge in a magnetic field: experimental research", Plasma Physics Reports 21 (5) (1995), pp. 400-409, och även de ryska patentdokumenten RU 2058429 och RU 2029411.

Svaga magnetfält kan för denna teknik konventionellt sättas att vara inom ornrådet 5 - 50 mT och starka magnetfält till att vara inom området 0,1 - 0,2 T.

Magnetroner uppvisar också fórefintligheten av två olika driftssätt, som har olika urladdningsspänningar. För ett svagt magnetfält är den magnetiska fáltstyrkan 30 - 50 mT och det starka magnetfáltet är 0,1 - 0,2 T. Urladdningsspänningen är 300 - 1000 V resp. under 50 ~ 70 V. Skillnaden i urladdningsspänning har förklarats genom den starka interaktionen hos ett plasma, som roterar kring systemets axel och viskös fiaktionering med ändisolatorer. För mag- netronen innebär detta interaktion med katodens material, se den ovan anförda översiktsattikeln av by Lehnert. för Lågspänriingsurladdningar används för jonisering av gas. Varken pulsade högspänningsurladd- Högspänningsurladdningar används traditionellt magnetronkatodsputtiing. ningar eller lågspänningsurladdningar med höga elektriska strömstyrkor har hittills använts för sönderdelning av komplexa molekyler.

Man har funnit, att när pulsade urladdningar med hög elektrisk ström i korsade elektriska och magnetiska fált används för sönderdelning av komplexa molekyler såsom CQH; och i en till- hörande deponering av radikaler, måste följande fyra fenomen beaktas: 1. De resulterande materialen efter konventionell deponering och/eller reaktiv deponering av ra- dikaler på arbetsstycken och andra föremål, såsom på väggar i processkammaren eller -karnrarna, har i de flesta fall en relativt hög elektrisk resistivitet eller är helt dielektriska. Sär- skilt kan områden hos elektrodernas ytor vara belagda med sådana material, vilket stör eller fór- hindrar urladdningarna. För att kunna använda en hög urladdningsströmstyrka kan därför en spe- ciell utformning av processkammaren och av urladdníngselektroderna erfordras för att undvika sådan störande beläggningar. 10 15 20 25 30 532 505 1 l 2. Man har funnit, att vid användning av högströmsurladdningar för jonisering av arbetsgaser, innefattande komplexa molekyler såsom SiH4, CH4, C2H2, finns en ökad tendens för att de öns- kade difftisa glödurladdningaina övergår till eller förvandlas till ljusbågsurladdningar. Denna tendens är särskilt viktig eller märkbar för sådana urladdningar, när katoden är gjord av grafit be- roende på den naturliga porositeten hos sådant katodmaterial. 3. Den maximala amplituden hos urladdningsströmman begränsas av gasdynanxiken i den för sönderdelningen använda processkarmnaren. För att sönderdela molekyler ien arbetsgas införs gasen i en sönderdelningscell, in i den i cellen alstrade plasmastrålen. Molekylerna i arbetsgasen anländer till plasmaområdet med en termisk hastighet av ca 102 - 103 m/s. Om en alltför hög kol- lisionsfrekvens mellan elektroner och molekyler av olika slag i plasmat föreligger, kan alla mo- lekyler bli sönderdelade och fasta radikaler kan då bli deponerade på arbetsstyckets yta, irman nya molekyler kommer in i plasmaområdet. Detta kan inträffa t ex om molekylerna i arbetsgasen innehåller atomer, som själva bildar fasta material. Sålunda används i det senare fallet urladd- ningarnas energi huvudsakligen för att endast uppvärma flyktiga atomer och enkla molekyler så- som väte. Detta leder till slutsatsen, att för optimering av sönderdelningsprocessen kan det vara nödvändigt med relativt långa pulser, varvid var och en dessa har en måttlig styrka. Det befanns, att optimala pulslängder kan vara inom området ca 1 ms - 10 s. Urladdningsströmmens rymdden- sitet kan då t ex vara inom området ca 0,1 - 10 A/cmz. 4. Man har funnit, att effektiviteten hos sönderdelningsprocessen starkt beror på storleken hos urladdningsströmmen. Betrakta fallet med rektangelfonnade strömpulser, vilkas storlek varieras från puls till puls. Om amplituden hos en sådan strömpuls är låg, blir också plasmasdensiteten och elektronenergin låga. Detta ger en sönderdelningsprocess med låg effektivitet och samtidigt överhettning och erodering av elektroderna och energi- och gasförluster. Detta medför också, att om en strömpuls till exempel är sinusformad, är sönderdelningsprocessen liten vid begynnelse- och avslutningsområdet hos pulsen. Dessa områden kan sågas vara förlorade för sönderdelningen och endast områden nära toppströmmen är läinpliga för sönderdelningen. Detta innebär, att si- nusformade strömpulser och strömpulser med form såsom av en triangel, en exponentialftxnktion och liknande inte är lämpliga för sönderdelningen och kan ha ett lågt interesse vid praktisk an- vändning. Sådana strömpulser kan ha nackdelar såsom energiförluster, uppvärmning av urladd- ningselektrodema, den ovan nämnda eroderingen av urladdningselektrodenia, och andra negativa fenomen. Ett val, som kan ge ett bättre resultat, kan vara att bilda urladdningama med hjälp av rektangelformade strömpulser med lämpligt vald, tillräcklig storlek. Det befanns, att för urladd- ningar alstrade för sönderdelning av molekyler i en arbetsgas, är urladdningsspänningen ganska konstant ñr alla amplituder hos urladdningsströmmen. Detta innebär, att den optimala urladd- 10 15 20 25 30 532 5115 1 2 ningseffekten måste vara väsentligen konstant under hela urladdrringstiden.

Fig. la och lb är schematiska bilder av två utföranden av plasmasönderdelningsceller (PDCzer) 1, 3 för att alstra ett plasma vid den fria ytan 5 hos en katod 7. Fig. 2a är en schematisk bild sedd uppifrån av en processkarnmare 9 innefattande tre PDC:er l med permanentrnagneter 11 monterade inuti processkammaren och en PDC 3 med permanentmagnet belägen utanßr. Fig. 2b är en schematisk bild of en divergent plasmastråle 13, som alstras vid och utsänds och utvid- gar sig från ett område vid ytan 5 av en katod 7. Pilen visar utvidgningsrikmingen. Om två mot- stående plasmakällor är i drift, upptar det alstrade plasmat utrymmet mellan de respektive kato- dema såsom visas schematiskt i Fig. 3. Riktningen hos den sönderdelande plasmastrålen är vin- kelrät mot katodens fria yta 5. En karakteristísk längd hos plasmastrålen kan vara i området 5 - 20 cm.

I PDCzen enligt Fig. la är sålunda alla huvudkomponenter däri belägna inuti processkammaren 9, jämför Fig. 2a. I detta fall kan väggarna 15 hos processkanunaren vara elektriskt ledande och elektriskt anslutna till anodpotentialen. I utförandet enligt Fig. lb finns en öppning 16 upptagen i processkammarens väggar, så att permanentmagneten 11 är monterad utanför processkammaren och katoden 7 är anordnad i öppningen. Katoden är elektriskt isolerad från väggarna 15 hos prooesskammaren och åtminstone en del av katoden fria yta 5 är en del av de ytor, som avgränsar processkammaren. Anoden har en huvuddel part l5a, som har åtminstone några partier, vilka är belägna framför katodens fiia yta, sett i riktning mot katodens 7 fria yta, dvs närmare processkarnmarens mitt. Anodens huvuddel kan vara utförd som flänsar, vilka sträcker sig från de inre ytorna av processkammarens 9 väggar 15 liksom enligt Fig. la. Sådana flänsar kan ha ett första parti, som sträcker sig vinkelrätt mot den inre ytan hos processkammaren väggar 15, och ett ändparti, som sträcker sig parallellt med nämnda inre yta och sålunda också parallellt med katodens fria yta 5, varvid ändpartiet eventuellt också sträcker sig något över den fria katodytan. Dessutom kan anodens huvuddel l5a vara utformad som de ytor hos de elektriskt ledande processkammarväggarna 15, vilka är belägna vid eller i närheten av katoden 7 och sär- skilt som ett elektriskt ledande skikt eller ark på nämnda väggytor hos processkammaren, vilka omger katodens fiia yta 5, såsom visas i Fig. lb. I detta fall kan öppningen 16 vara utförd, så att den innefattar en bakre avsats, så att öppningens väggytor innefattar ett första parti, vilket sträcker sig vinkelrätt mot ytan hos processkammarens väggar 15, och ett andra parti, som sträcker sig parallellt med nämnda inre yta och sålunda också parallellt med katodens fria yta 5, varvid det andra partiet är beläget närmare det inre av processkammaren och eventuellt också sträcker sig något över den fria katodytan, på samma sätt som för det i Fig. la visade fallet. Ano- den innefattar också en anodförlängriing l5b, som kan utgöra delar av processkammarens väggar 10 15 20 25 30 532 SÜE 13 15, vilka är belägna runt omkring katoden, när nämnda väggar är elektriskt ledande, och i annat fall kan den innefatta elektriskt ledande ark eller skikt på nänmda delar. En vattenkylningsled- ning 4 går till permanentmagneten l l för kylning av denna och en kraftledning 5 förbinder kato- den 7 med en strömförsörjningserihet eller pulsgenerator, ej visad.

Processkarnmaren 9 kan vara cirkulär eller ha polygonforrn, såsom en kvadratisk eller rekt- angulär form, sett uppifrån. Den kan innefatta en eller flera sönderdelriingsceller l, 3, tex fyra celler såsom i Fig. 2a.

Vid deponeringsprocessen, när en PDC såsom en av dern, som har beskrivits ovan, är igång, täcks alla ytor inuti processkarnmaren 9 och hos föremål belägna inuti processkammaren med ett skikt av deponerat material. Detta kan erfordra, att deponerade skikt då och då måste avlägsnas på mekanisk väg 'från åtminstone anodens delar 15a, l5b. I annat fall kan sådana skikt spricka och delaminera, vilket kan leda till en transformation av de önskade glödurladdningarna till ljusbågsurladdningar.

Man har särskilt funnit, att vid deponeringsprocessen kan det material, som deponeras på olika partier av huvudanoddelen 15a, erhålla olika elektriska egenskaper. Speciellt kan de ytor 17 hos anodens huvuddel 15a, som är riktade mot katoden 7 erhålla beläggningar av deponerat ma- terial, vilket har elektriska egenskaper, som skiljer från de elektriska egenskaperna hos det mate- rial, vilket är deponerat på ytor 19 hos anodens huvuddel, som inte är riktade mot katoden., För material och de CVD-processer som beskrivs i svensk patentansökan nr 0700552-3, inlämnad 1 mars 2007 och som innefattar och gör bruk av grundämnen såsom C, H, N, O, blir till exempel de ytor 17, som vetter mot katoden, täckta med ett elektriskt ledande skikt, men de andra ytomas hos anodens huvuddel 15a blir täckta med ett dielektriskt skikt. De först nämnda ytorna 17 kan sägas vara skärmade fiän huvuddelen av det alstrade plasmat, så att ingen direkt deponering av änmen från detta kan äga rum.

Genom av att använda de CVD-processer, som beskrivs i den anförda svenska patentansökningen, varvid katoden 7 är en av grafit utförd platta, kan pulsade urladdningar med hög elektrisk strömstyrka erhållas mellan de inre ytdelama 17 hos anodens huvuddel 15a och katoden 7. I den i Fig. 3 visade utföringsfonnen av en processkammare 9 deponeras också di- elektriska beläggningar på hâllaren 21, som fasthâller arbetsstycket 23 vid processkarnmarens 9 mitt. Hållaren för arbetsstycken sträcker sig från ett lock 25 fór laddning av arbetsstycken, vilket är elektriskt förbundet med anodens delar 15a, l5b. Arbetsstycket 23 kan ha en elektrisk poten- tial, som är skild från jordpotential och/eller anodens potential, dvs vara elektriskt törspänd med hjälp av en likspänning I utförandet av en rektangulär proeesskammare 9 enligt Fig. 3 används två inre PDC:er 1, 10 15 20 25 30 532 505 14 som placerade mitt emot varandra och har arbetsstycket 23 placerat mellan dem. Dörren 25 för- sedd med luftfälla är belägen i en vägg, som förbinder de väggar, i vilka de två PDCzerna är monterade. Framför den fjärde väggen, dvs den andra väggen, som förbinder de motstående väg- garna i processkarnmaren 9, är ett radikalfilter eller en radikaltälla 27 monterad. Fällan uppdelar processkammaren 9 i ett arbetsutryrnme 29, i vilket arbetsstycket 23 och PDCzerna är belägna, och ett bakre, skärmat utrymme 31. Fällan är anordnad att ñrhindra direkt överföring av alla partikelslag, dvs atomer, molekyler, joner och radikaler och aggregat av dessa från arbetsutrym- met till det skärmade utrymmet.

Fällan 27 kan vara en labyrint av något slag, som inte medger, att atomer av fasta ämnen och radikaler kan röra sig direkt från den ena sidan av iällan till dess andra sida. Till exempel kan den utgöras av en uppsättning plattor, ej visade, som har slumpmässigt borrade hål med ej överensstämrnande placering på plattoma. Antalet plattor och antalet hål och dessas diameter kan väljas på lämpligt sätt experimentellt under optimering av processen. Optimeringsparametrarna innefattar arbetsgasens uppehållstid i processkammaren 9 och effektiviteten av kondensationen av fasta ämnen på íällans plattor. Gasens uppehållstid är högre, om gasens konduktivitet genom tïállan 27 är lägre. Kondensationen av fasta ämnen har också högre effektivitet, om konduktivi- teten genom fallan är lägre. Om emellertid konduktiviteten för gas är alltför låg, blir också depo- neringshastighet låg.

Filtret/tällan 27 hindrar de inre väggytoma i det skärmade utrymme 31 från att bli belagda med ett dielektrisk skikt. Vidare förhindrar det, att arbetsytorna hos en turbopump 10 blir be- lagda med ej önskvärda material. Dessutom förhindrar det, att skadliga ämnen och radikaler tränger in i en grovpump ll. De skadliga radikalerna kan förstöra oljan i pumparna 10 och 11.

Om i detta utförande de inre väggytorna i det skärmade utrymmet 31 är förbundna med anoden, kan pulsade urladdningar med hög elektrisk strömstyrka aktiveras mellan dessa ytor och katoderna i PDCzerna l. Anodens del 15d används som den elektriskt ledande anoden. Det har befininíts, att urladdningania elektriska ström går från katodens yta 5 till anodens yta 15d genom filterplattorna 27 över ett relativt långt avstånd.

Arbetstrycket för (IVB-förfarandet är i området 104 - 101 Torr, företrädesvis i området 10* - 101 Torr.

Enligt Pashens lag uppträder urladdningama företrädesvis mellan ställen på elektroderna, som är belägna på störst avstånd fiån varandra.

Det finns ett annat förfarande för att aktivera den pulsade urladdningen med hög elektrisk strömstyrka vid den process och tör de material, som beskrivs i den anförda svenska patentan- sökningen. Det huvudsakliga målet för processen och materialen enligt derma patentansökan är 10 15 20 25 30 532 505 15 deponering av vibrationsdärnpande material på arbetsstycken av olika slag. Man har funnit, att det deponerade materialet är elektriskt ledande, om katoden är gjord av metall. Man fann, att i detta har de deponerade skikten, utöver att de har tillräcklig elektrisk konduktivitet, fortfarande goda mekaniskt dämpande egenskaper.

De fenomen och problem, som beskrivs punkterna 2. - 4., är av stor betydelse för en effek- tiv industriellt användning av PA CVD med hög elektrisk effekt och med kort "duty cycle".

Sammanfattningsvis innefattar huvudfirågoma profilen, sedd som fíuiktion av tiden, hos de an- bragta elektriska strömpulserna, utformningen av elektrodema och problemet med undertryc- kande av ljusbågar.

I den ovan anförda publicerade internationella patentansökningen WO 2006/049566 visas ett forfarande för att åstadkomma pulsade urladdningar med hög elektrisk strömstyrka. Förfaran- det är baserat på att addera sinussignal med längder av en halvperiod. Förfarandet är tillämpligt på urladdningar, vid vilka elektriska kretsar används, i vilka den elektriska impedansen hos strömförsörjningseriheten är mycket högre än urladdningsgapets impedans. Urladdningsgapets impedans är dock nästan lika med noll. Förfarandet används för magnetronsputtring med mycket hög elektrisk effekt. De här beskrivna PA CVD-ñrfarandena måste i stället använda begränsade urladdningsströmmar i pulserna. Den begränsande faktorn är dynamiken för arbetsgasens mole- kyler i processkammaren 9. För sådana förfaranden är därför elektrodgapets impedans i sönder- delningscellen av en storlek, som är jämförbar med impedansen hos strömförsörjningseiiheten eller till och med större. Amplituden (Den maximala amplituden) hos den totala resulterande sammansatta pulsen enligt den anförda internationella patentansökníngen är lika med amplituden (den maximala amplituden) hos alla de elementära sinussignaler, av vilka den sammansatta pul- sen bildas. T ozer och Lehnert, se de ovan anförda artiklama, har visat, att impedansen hos ett urladdningsgap i korsade elektriska och magnetiska fält är en komplex storhet och kan represen- teras som en parallell-serie-kombination av en resistans, en kapaeitans och en induktans. Detta innebär, att den elektriska strömmen i de till varandra adderade elementärpulsema strängt taget inte kan ha sinusfonn, utan i stället kan den elektriska strömmen sägas vara sinusliknande. Detta skiljer sig från förhållanden, som beskrivs i den anförda internationella patentansökníngen. Där- för är det förfarande och den anordning, som visas i den anförda internationella patentansök- ningen WO 2006/049566, tillämpbara endast till det smala området för den teknik, som kallas HIPlMS, se Iriternet- hemsidan på httnz//enwikjoedíaorglwiki/Högløwer Impulse Magnetron Sputtring.

I den ovan anförda artikeln av Mozgrin et al. beskrivs ett förfarande för att alstra rektangel- formade strömpulser. Förfarande är baserat på en strömkrets av typen öppen ledning och möjlig- 10 15 20 25 30 532 505 16 gör, att rektangelforrnade strömpulser alstras med hjälp av en enda stor energiackumulator, dvs en enda kondensator. Den energi, som måste ackumuleras för att alstra varje strömpuls, är 5,5 kJ.

En plan cirkulär katod med diameter l20mm användes. Det är tydligt, att för större systern måste den ackumulerade energin vara mycket högre. Problem är, att i sådana system övergår glödurladdningar till ljusbågsurladdningar och att sålunda all ackumulerad energi avges inom ett litet område på arbetsstycket. Det leder till åtminstone en förstöring av ett deponerat skikt och maximalt till förstöring av hela systemet. Därför är problemet med att alstra pulser och under- tryckande av ljusbågare av mycket stort intresse, särskilt för stora industrimaskiner.

Det förfarande, som nu skall beskrivas, är baserat på att pulser med låg elektrisk ström- styrka och spetsiga toppar adderas till varande successivt i tiden. I diagrammet i Fig. 4 visas kur- vor upptagna för en kort strömpuls, när denna anbringas över ett elektrodgap i en sönderdel- ningscell vid preliminära försöksuppställningar. Arbetsgasen för sönderdehiíngscellen var ace- tylen C2H2. Kurvan 40a är spänningskurvan och grafen 40b är kurvan för den elektriska ström- men vid urladdningen. De uppmätta värdena visas i godtyckliga enheter. Urladdningsström- mama upptogs vid den positiva anslutningen hos det använda oscilloskopet och är därför belägna ovanför nollnivån vid A. Signalkabeln för spänningen var ansluten till den negativa eller inverte- rade anslutningen hos oscilloskopet och spänningarna är belägna på en annan respektive nollnivå vid B. Nollnivåerna vid den senare anslutningen före och efter den pulsade urladdningen skiljer sig från varandra. Detta fórorsakas av parasitkapacitansen hos spänningsproben och av mätrneto- den. Den reella nollnivån är den nivå, som visas efter urladdningen. Omsättningen i strömmät- ningsproben var lA:1mV. Därför var den uppmätta urladdningsströmmen amplitud ca 100 A.

Spänningsproben omsättning var 1:1. Därför uppmättes anslutningsspäririingen som ca 1,1 kV och urladdningsspänning uppmättes till ca 500 V. Vid tiden t1 var strömförsörjningsenheten an- sluten till urladdningsgapet av en halvledarbrytare. Därför ökar spänningen över urladdningsga- pet från noll till strömförsörjningsenhetens anslutningsspänning, som är ca 1,1 kV. Perioden från tl till t; (omkring 10 - 20 ps) är tiden för utveckling av det elektriska genombrottet över urladd- ningsgapet. Uttrycket med andra ord är den tiden för utveckling av glödurladdningen. Efter ge- nombrottet faller spänningen över urladdningsgapet från anslutningsspäririingen 1,1 kV till “brinnspärmningen”, som är ca 500 V. Vid tiden tg börjar urladdningsströmmen att öka efter ge- nombrottet över gapet. De komplexa och avsevärt olika formerna hos kurvorna för urladdningens spåmiing och ström orsakas av komplexa processer i plasmat, som är beläget i de korsade elekt- riska och magnetiska fálten från plasmakällan med sluten elektrondrifi. Såsom kan ses, är ur- laddningsspänningen väsentligen konstant för alla strömvärden under urladdningstiden. Såsom kan ses i Fig. 4, stiger under urladdningen strömrnens amplitud, se kurvan 40b, från noll till ett 10 15 20 25 30 532' 505 17 maximumvärde och avtar därefter till noll. Vid samma tidpunkt är spänningen, se kurvan 40a, nästan konstant, med endast relativt litet ripple, för alla strömvärden under urladdningen. Detta innebär, att spänningen inte beror på värdet på den elektriska strömstyrkan. Detta innebär med andra ord, att irnpedansen hos urladdníngsgap minskar, när urladdningsströmmen ökar. Det be~ farms, att addering av mer elektrisk ström till den vid testerna använda strömmen genom att summera elektriska strömmar från enskilda källor i den förenade lasten inte ger upphov till nå- gon störning av urladdnjngskretsarnas funktion. Proven utfördes fór värden på den elektriska strömmen upp till 1 kA. Detta konstaterande är giltigt enbart för glödurladdriingsanordningar, benämnda anordningar med sluten elektrondrift. Från början kallades sådana anordningar homo- polära och homopolär-liknande anordningar, se den ovan anförda artikeln av K. Halback et al.

Till de homopolär-liknande plasmakällorna hänför sig i synnerhet källor, som benämns magne- tronplasmakällor. Det särskilt viktiga vid användning av dessa källor i det här beskrivna förfa- randet är, att katodsputtiing är ett negativt fenomen, jämför den positiva användningen av sputt- ring i tex magnetronsputtringsanordningar. Den av sputtring framkallade eroderingen av kato- den leder till nödvändigheten att katodplattan oña måste utbytas, vilket ökar produktionskostna- derna. För att minska katodens erodering kan ett starkare magnetfält för förstärkning av urladd- ningen användas, se den ovan anßrda artikeln av Mozgrin et al. Ett starkt magnetfält leder till en avsevärd minskning av urladdningsspänningen och härigenom ett stark minskning av sputt- ringen/eroderingen av katoden. Detta innebär, att impedansen i urladdningsgapet i anordningar med sluten elektrondrift är komplex, såsom beskrivs i de ovan anförda artiklarna av Lehnert och Tozer.

Det är nödvändigt att betona, att för en enkel resistiv belastning ger en summering av enskilda elektriska strömmar i lasten upphov till en motsvarande ökning av spämiingsfallet över lasten. I sådana fall, som inte betraktas här, fungerar inte förfarandet med att bygga upp pulser genom summering av elernentärpulser.

Att förfarande med summering av enskilda elektriska strömmar fungerar, har bevisats för både hög och låg styrka hos magnetfältet för förstärkning av urladdningen genom att utforma strömförsörjningsanordningen som flera elementära strömförsörjningslcretsar 101, vilka arbetar parallellt med varandra, se det schematiska kopplingsschemat i Fig. 11. I varje sådan elementär~ krets är en kondensator 103 med kapacitans Cl ansluten i serie med impedansen X1 hos resp. elementärkrets, som representeras av detaljen 105, och en brytare 107. Elementärkretsen 101 är ansluten till lasten, visad som blocket 109, som har impedansen XL. Lastens impedans XL är av komplex beskaffenhet och beskrivs i detalj av Tozer och Lehnert i de ovan anförda artiklarna.

Impedansen XL varierar i de olika faserna av urladdningarna, vilket kan leda till en komplex va- 10 15 20 25 30 532 505 18 riation av urladdningsströmmen som funktion av tiden, se Fig. 5b. hnpedansen X1 hos elemen- tärkretsarna 101 är konstant och kan uppmätas genom kortslutning av lasten 109. Impadansen X1 hos the elementärkretsarna beror på parametrar hos resp. krets och kan ha huvudsakligen resistiv, kapacitiv eller induktiv karaktär. För den här beskrivna tillämpningen kan en kretsirnpedans av induktiv karaktär vara lämpligast. I detta fall kan impedanserna X1 skrivas som Li. En induktiv impedans leder till ett mindre avgivande av den i kondensatorn 103 i elementärkretsarria 101 ac- kumulerade energin. Den kan ge största möjliga transformation av den ackumulerade energin till processen för sönderdelning av arbetsgasen.

Typiska värden på kapacitanserna C; och de inre induktariserna Li är inom områdena 1nF- 10 uFresp. 1 nH- 10 uH.

Vid driñ kan kondensatorn C; sålunda urladdas genom en induktans 105, Ll och impedan- sen XL hos gapet i sönderdelriingscellen, varav den senare är lasten. Vid proven uppladdades kondensatorerna i de parallella elementärkretsarna 101 till samma spänning och urladdades se- dan samtidigt eller också urladdades de, så att urladdningama startade successivt med någon, re- lativt liten fördröjning efter varandra Vid proven var fem parallella kretsar anslutna till lasten 109. Såsom förvåntats, var impedansen XL hos elektrodgapet i sönderdelningscellen komplex och variabel under urladdningsperioden och sålunda varierade urladdningsströmmen i tiden, se kurvan B i Fig. 4. Irnpedansen varierade fiän oändlig ned till 100 Ohm.

I en annan preliminär försöksuppställning, se Fig. llb, âstadkoms urladdningama för samma last 109, XL och en enda krets lll av samma slag men med en kondensator ll3 med ka- pacitans G2 lika med fem gånger kapacitansen Cl hos kondensatorerna 103 i kretsarna 101 i Fig. 11a och en inre impedans visad som induktorn 115 med ett induktansvärde L; lika med en fem- tedel av induktansen L; hos induktorerna 105. Den enda kondensatorn uppladdades till samma spänning som de fem kondensatorerna hade uppladdats till i den första uppställningen, som visas i Fig. 11a. Detta andra experiment simulerade härigenom den parallella driften av de fem paral- lella kretsarna 101. Man fann, att i båda fallen var spänningen över och strömpulserna i lasten 109 samma som dem, vilka visas i diagrammet i Fig. 4. Allmänt befanns det också, att de paral- lella kretsarna 101 inte inverkar på varandra, även om deras parametervärden skiljer sig åt, så- som värdena C1, L1 på kapacitans och induktans, och när tidpunktema för start av resp. urladd- ningar är förskjutna i tiden.

De erhållna resultaten visar tydligt, att en stor hel eller sammansatt urladdningsströmpuls kan genereras som en summa av pulser, vilka alstras av parallella kretsar, som arbetar oberoende av varandra, och vilka adderas till varandra.

Ett arbetssätt av detta slag kan schematiskt beskrivas som en a strömpulsmatrisoperation, 5 10 15 20 25 30 532 5GB l 9 vid vilken axlarna är amplituden (spalter) och tiden (rader). Denna princip valdes för datorsimu- lering av fyrkantiga eller rektangelforrnade strömpulser, som i själva verket utgjordes av en summa av enskilda pulser.

Man farm experimentellt, att typiska former hos lämpliga strömpulser innefattar i första hand pulser med spetsiga toppar. Typiska pulsformer visas i Fig. Sa och 5b. Strömkurvorna 50a~ a och 50a-b i diagrammet i Fig. Sa motsvarar olika amplitud (olika maximal amplitud) hos ur- laddningsströmmen. Kurvorna SOb-a och 50b-b i Fig. 5b är kurvor för strömmen mellan elektro- dema i sönderdelningsenheten resp. strömmen mot det elektriskt förspända arbetsstycket. Puls- formen SOa-b kallas “bruten triangulär” puls och alstras vid arbetstryck, som är högre än det tryck, vilket användes för att erhålla grafen SOa-a, och för en magnetfältsstyrka, som är järnför- bar med den, vilken användes för att erhålla grafen 50a-a.

Förspänningen av arbetsstycket kan vara anordnad på något konventionellt, lämpligt sätt.

Det som särskilt skall beaktas, är att förspänningsströmmen är starkt begränsad av resistansen hos det deponerade skiktet. Förspänningen kan åstadkommas med ett separat strömförsörjnings- aggregat, ej visat.

För att sålunda utforska metoden med matrisbildnmg utfördes en datorsimulering.

Triangulära och exponentiella former och pulser med "bruten triangelform", se Fig. 6a, 6b resp. 6c, alla med spetsiga toppar, valdes för att visa att det är möjligt att bilda rektangelfonnade pul- ser genom att addera elementärpulser. Principen för att alstra sammansatta pulser med önskad form visas av diagrammen i Fig. 7a - 7 e. Skillnad mellan Fig. 7a - 7e är fördröjningstiden mellan de efter varandra följande, adderade pulserna. Elementärpulsen är en puls med exponentiellt av- tagande form. Det kan observeras, att när tördröjningstiden minskar, börjar den avsedda rektang- ulära pulsen att kunna urskilj as.

I Fig 8a - 8c visa relativt välformade, rektangulära pulser. Ripplet beror på tidsfördröj- ningen mellan elementärpulserna. Ripplet uttryckt i procent kan minskas nästan till noll genom att minska fördröjningstiden mellan elementärpulserna. Det kan också ses, att vid minskning av fördröjningstiden (eller likvärdigt av ripplet uttryckt i procent) ökas amplituden (den maximal amplituden) hos den resulterande rektangulära pulsen. Amplituden (Den maximala amplituden) hos elernentärpulsen valdes att vara lika med 1 i diagrammen. Såsom kan ses i Fig. Sa, är ampli- tuden hos den resulterande pulsen lika med 9 och den procentuella andelen ripple är några pro- cent för den fórdröjningstid, som användes för att härleda deni detta diagram visade resulterande rektangulära pulsen. En låg procentuell andel ripple är inte kritisk för utförandet i praktiken på grund av de högfrekvensvågor och instabiliteter i plasmat, som alltid alstras av den totala pulsen med hög elektrisk strömstyrka (se Fig. 4 och Sh). De jämna kurvorna för de i fig. Sa visade pul- 10 15 20 25 30 532 505 20 serna har erhållits genom att filtrera bort de höga oseillationer, som i själva verket detekteras av den använda strömproben. Grafen i Pig. 8d skiljer sig från Fig. 8a endast genom antalet summe- rade pulser. De parametrar, som användes vid uppbyggande av diagrammen i Fig. 8a - d, och re- sulterande karakteristiska värden är som följer. "f_ab_e1.1_1 Fig. Fördröjningstid Antal N Amplitud A2 Längd t Ripple 8 A mellan summerade av resulterande sammansatt puls elementärpulser elementärpulser 8a 0.0lr 40 9A 5 t ~ 3% 8b 0.2t 40 6A 8 t ~ 20% 8c 0.31 40 3.5A 12 't ~ 25% 8d 0.01-0.005r 200 9A 40 r där A är tördröjningstiden mellan summerade elementärpulsema, N är totala antalet summerade elementärpulser, AZ är den genomsnittliga maximala arnplituden hos den resulterande sumrne~ rade pulsen, A är den maximala amplituden hos varje elementärpuls, t är den resulterande sum- merade pulsens längd, t är den karakteristiska tiden fór det exponentiella avtagandet hos ele- mentärpulserna och ö är ripplet uttryckt i procent av elementärpnlsernas amplitud.

I Fig. 8e visas formen hos en summerad sammansatt puls, som är bildad genom addition av likadana pulser med "bruten triangulär" form av det slag som visas i Pig. 6d.

I Fig. 8f visas formen hos en summerad sammansatt puls, som är bildad genom addition av likadana triangulära pulser av det slag, som visas i Fig. 6a.

Såsom kan iakttagas, minskar uppbyggnadstiden och avklingningstiden för de resulterande rektangelformade pulsema i förhållande till den totala pulstiden t, när antalet N av adderade ele- rnentärpulser ökar.

Allmänt visades det vid en utförd datorsimuleringsanalys, att en rektangulär puls kan erhål- las genom summering av elementärpulser av nästan varje slag, så länge dessa har spetsiga top- par. I praktiken kan också ett önskat arnplitudripple uppnås genom att anpassa fördröjningstiden mellan elementärpulserna.

Nästa problem, som man möter vid PA CVD med höga elektriska strömstyrkor, är proble- met med undertryckande av ljusbågar. Såsom redan ovan beskrivits, är bildning av ljusbågar ett särskilt viktigt problem vid reaktiva processer baserade på kolinnehållande gaser och för urladd- ningar till en av grafit utförd katod. 10 15 20 25 30 533 505 21 Matrisförfarandet för att åstadkomma önskade rektangulära pulser gör det möjligt, att alla vidare pulser efter det att en ljusbåge har inträffat kan stoppas, vilket kan göras relativt snabbt beroende på de korta elementärpulseina. Detta minskar avsevärt problemet järnfört med det för- farande, som beskrivs i den anförda artikeln av Mozgrin. Emellertid är ändå ett sådant snabbt stoppande av tillförsel av elernentärpulser i många fall inte tillräckligt för att åstadkomma ett till- räckligt effektivt undertryckande av ljusbågar. Detta är fallet på grund av det observerade fak- tum, att en ljusbâge mycket sällan följer som en enda händelse. Vanligen är det en lång rad av ljusbågar, som följer efter varandra. I ett sådant fallet har det nämnda förfarandet för att stoppa urladdningarna maximalt en effektivitet av 50 %. Detta gäller, eftersom varje gång som nästa ljusbåge i följden detekteras, har en ny elementärpuls redan börjat att alstras. Närmare bestämt är övergångstiden från glödurladdning till ljusbågsurladdning så kort, att om en ljusbåge har upp- stått kan en styrkrets uppenbarligen reagera först efter uppträdande och detektion av ljusbågen.

Med hjälp av detta förfarande kan den av ljusbägar åstadkomma skadan något minskas. Detta in- nebär vidare, att det skulle kunna vara gynnsamt, om till det nämnda förfarandet för undertryck- ande av ljusbågare suppression kimde fogas ett förfarande, som möjliggör att en ljusbåge detek- teras, innan ljusbågen faktiskt inträffar, genom att t ex detektera något föregående, tidigare spe- ciellt tillstånd, om något sådant skulle finnas eller vara möjligt.

Vid en experimentell undersökning fann man, att ett sådant föregående tillstånd existerar och uppträder som oscillationer med hög amplitud och hög frekvens hos urladdningsspänningen och strömmen, se diagrammen i Fig. 9a och 9b. I Fig. 9a och 9b visas kurvor för elektrisk ström och spärming innan en ljusbåge uppstår och efier det att en ljusbåge har bildats. Såsom kan ses, inträffar oscillationerria, innan urladdningsspänningen faller. Den karakteristiska spänningen för glödurladdriingar är i området hundratals volts och för ljusbågsurladdningar är den i området några tíondels volt. I Fig. 9a är tidsskalan 20 nrikrosekiinder/delstreck och i Fig. 9b är den 1 mikrosekund/delstreck. Den uppmätta frekvensen of de oscillationer, som föregår ljusbågen, är omkring några MHz. Grundprincipen för undertryckande av ljusbågar är att kortsluta lasten, dvs sönderdelningsenheten, i det fall att högfrekvensoseillationer inträffar. Kommande om kortslut- ning måste ges av den anordning, som alstrar resp. elementärpuls, eftersom det är i kretsarna i denna anordning, som hö gfrekvensoscillationerna kan detekteras.

En anordning för att generera elementärpulser av de ovan beskrivna slagen visas schema- tiskt i Fig. 10. Den innefattar en laddningsanordning 41, som är ansluten till någon inkommande kraftledníng såsom det allmänna nätet för distribution av elektrisk ström. Den alstrar elektrisk likström och mellan dess utgångsanslutningar är en stabiliserande kondensator 43 inkopplad.

Den stabiliserande kondensatom är ansluten i en första sluten krets 45. Utgångsanslutriingarna är 10 15 20 25 30 532 505 22 också via styrbara brytare 47, vilka var och en har en skyddskondensator 15 parallellt ansluten, förbundna med en ackumulerande induktor 51. Den stabiliserande kondensatorn, brytama och induktorn är inkopplade i en andra sluten lcrets 53. En strömtransforrnator 55 mäter den elekt- riska strömmen i den andra kretsen 53. Brytarna 47 är vid sina anslutningar, som är anslutna till induktom 51, också kopplade till en diod 57 och en urladdningskondensator 59, vilka är anslutna i serie med varandra. Induktom 51, dioden 20 och urladdningskondensatorerna är inkopplade i en tredje sluten krets visad vid 61. En fiärde sluten krets visad vid 63 bildas av en parallell kom- bination av ett motstånd 65, anod-katodgapet 67 mellan anoden l5a, 15b och katoden 7 i sönder- delningsenheten och en kortslutningsbrytare 69, varvid den parallella kombinationen är ansluten parallellt med dioden 57 via brytarna 7l. Motståndet 65 håller dessa brytare 71, som kan vara av halvledartyp, i deras område ”på” efter det att en triggpuls har alstrats. Anoden kan vara förbun- den med elektrisk jord såsom ses vid 73. En styr- och övervakningserihet 75 är ansluten till alla brytarna 47, 71 och 69 och till strömtransfonnatorn 5 5. En enhet för undertryckande av ljusbågar kan ingå i eller vara ansluten till styr- och övervakningsenheten.

Den elernentäipulsalstrande anordningen fungera på följande sätt. En elementärpuls, tex av det slag som visas av diagrammen i Fig. 4, Sa och 5, bildas genom urladdning av urladd- ningskondensatorn 59 i den ijärde kretsen 63 över the urladdningsgapet 67 hos sönderdelnings- cellen via induktom 51 och de slutna brytarna 71. Urladdningskondensatorn är då från början uppladdad till energin W, = 0.5 CUZ, där C är kondensatorns kapacitans och U är spänningen över kondensatom. Före detta har energin W förts in i induktorn 51 som energin hos magnetfäl- tet. För detta tilltördes elektrisk till induktom “från den laddade stabiliserande kondensatom 43 genom att sluta brytama 47. Energin hos magnetiältet är W; = 0.5 Llz, där L är induktorns in- duktans och I är den ström, som flyter i induktom. För att transformera magnetiältets energi Wi till elektrisk iältenergi W, hos kondensatom öppnas brytarna 47 etter det att strömmen i induk- tom 51 har uppnått värdet I. Denna ström laddar då urladdningskondensatom 59 i den tredje kretsen 61. Denna ström mäts samtidigt med hjälp av strömtrarisformatorn 55. Laddningen av urladdriingskondensatorn 29 påbörjas, efter det att storleken (det absoluta värdet) på strömmen I har ökat till ett erforderligt eller önskat, börvärde, varvid brytarna 47 då öppnas.

Spänningen U över urladdningskondensatorn 59 är då lika med U = I (L/C)°'5. Den stabiliserande kondensatorn 43 uppladdas till spänningen Uo av laddningsanordningen 41. Spän- ningen U kan vara så hög som är nödvändigt för den aktuella tillämpningen. Till exempel kan den vara 2 kV för pulsad PA CVD eller 20 kV för högspänningstillämpningar. Spänningen UO kan vara 12 V, såsom är typiskt för ett bilbatteri. Principen med transformation of den låga spän- ningen Ug till en hög spärming U är baserad på den mellanliggande transformationen av energi 10 15 20 532 EÜE 23 hos ett elektriskt fält till energi hos ett magnetfält och sedan den motsatta transformationen till- baka till elektrisk fältenergi. Den totala kretsen erfordrar inte någon högspämiingstrarrsforrnator.

Dessutom används induktorn 51 från början för laddning av kondensatorn 29 och därefter för bildning av elernentärpulsen över urladdningsgapet 67. Kortslutningsbrytaren 26 används 'för kortslutning av urladdningsgapet i sönderdelnings- eller desintegrationcellen, om ett föregående tillstånd, se Fig. 9a, 9b, för bildning av ljusbåge detekteras.

Den totala kretsen funktion styrs och övervakas av styrenheten 28. Skyddskondensatorer 49 används för att avlägsna överspänningar över brytama 47, när dessa är i sin fiånskiljande pe- riod. Motståndet 23 väljs att vara så stort som är nödvändigt för att hålla brytarna 71 i öppet till- stånd, efter det att triggpulsen har passerat. Detta är nödvändigt, eftersom en hög spänning an- bringas över urladdningsgapet 67; urladdningen börjar efter en viss tidrymd, som är nödvändig för utveckling av glödurladdningen.

När sammansatta pulser bildas ur elementärpulser, kan ett flertal kretsar likande kretsen i Fig. 10 anslutas parallellt med anoden 15a, 15b och katoden 7 i urladdningsgapet. Då kan någon överordnad styrenhet, ej visad, finnas för att ge tidpunkterna för start av urladdningarna för varje sådan krets. I annat fall kan de elementärpulsgenererande kretsarna och särskilt dessas styr- övervakningssystems kan vara hopkopplade för att det önskade tídsschemat.

De beskrivna principerna för att alstra elementärpulser såväl som sammansatta rektangulä- ra pulser kan allmänt används vid CVD för t ex andra utformningar av elektrodgapet och de kan också användas inom andra tekniska områden, inom vilka det finns en stor risk fór transforma- tion av glödurladdningar, även benärnnda mörka urladdningar, till ljusbågstlrladdníngar. De kan också används speciellt för att åstadkomma ljusbågsurladdningar.

Claims (21)

10 15 20 25 30 532 505 24 KRAV

1. Förfarande ßr plasmaaktiverad kemisk ångdeponering innefattande stegen: - att anordna ett vakuumkärl med relativt lågt tryck eller valcuurn, till vilket en arbetsgas tillßrs, - att anordna en plasmasönderdelningsenhet (l, 3) i eller förbunden med vakuurnkârlet fór sön- derdelning av arbetsgasen med komplexa molekyler till laddade eller neutrala radikaler, varvid plasmasönderdelriingsenheten har en anod (15; 15a, 15b) och en katod (7) och katoden har ett ef- fektivitetshöj ande magnetfält och är elektriskt isolerad från den omgivande anoden, - att anordna en behandlingsenhet för arbetsstycken med en processkammare (9), - att anordna ett arbetsstycke (23) i processkammaren (9), - att anbringa periodiskt upprepade spånningspulser mellan anoden (15; 15a, 15b) och katoden (7) hos plasmasönderdelningsenheten (1, 3) på sådant sätt, att pulsade elektriska urladdningar alstras mellan katoden och den omgivande anoden hos plasmasönderdelriingseriheten, kännetecknat av det ytterligare steget: - att anordna anoden (15; 15a, 15b), så att åtminstone en del (17) av denna erhåller endast en elektriskt ledande beläggning eller väsentligen ingen beläggning alls.

2. Förfarande enligt krav l, kännetecknat av att vid anordnande av anoden (15 ; 15a, 15b), anordnas så att nämnda åtminstone en del (17) av anoden innefattar ett parti, som är skärmat mot direkt beläggning av partiklar fiån det bildade plasmat.

3. För-farande enligt något av krav l - 2, kännetecknat av att vid anordnande av anoden (15; 15a, 15b), anordnas så att nämnda åtminstone en del (l 7) av anoden år belägen i direkt når- het av katodens (7) fria yta (5).

4. Förfarande enligt något av krav 1 - 3, kännetecknat av att vid anordnande av anoden (15; 15a, 15b), anordnas så att nämnda åtminstone en del (17) av anoden är ett fläns- eller kant- parti, vilket är beläget eller sträcker sig över kantområden hos katodens (7) fria yta (5).

5. För-farande enligt något av krav I - 4, kännetecknat av att vid anordnande av anoden (15; 15a, 15b), anordnas så att nämnda åtminstone en del (17) av anoden är belägen framför ka- todens (7) fria yta (5), sett vid betraktande av katodens fria yta, dvs närmare mitten av process- kammaren (9).

6. Förfarande enligt något av krav l - 5, kännetecknat av att vid anordnande av anoden (15; 15a, 15b), anordnas så att nämnda åtminstone en del (9) av anoden sträcker sig parallellt med katodens (7) fria yta (5).

7. Förfarande enligt något av krav 1 - 6, kännetecknat av att de periodiskt upprepade spänningspulsema anbringas på sådant sätt, att de pulsade elektriska urladdníngarna åstadkoms mellan katoden (7) och en inre yta (17) hos den omgivande anoden hos plasmasönderdelningsen- 10 15 20 25 30 532 505 25 heten

8. Förfarande enligt något av krav 1 - 7, kännetecknat av att processkammaren (9) är uppdelad i två separata delar av ett filter eller en falla (27) för uttällning och rekombination av fasta och flykti ga radikaler.

9. Förfarande enligt något av krav 1 - 8, kännetecknat av att var och en av de anbragta, periodiskt upprepade spånningspulserna bildas som en sammansatt strömpuls genom addition av strömpulser med låg elektrisk strömstyrka till varandra.

10. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat av att de adderade pulsema med låg elektrisk strömstyrka har en form med spetsig topp.

11. ll. Förfarande enligt något av krav 9 - ll, kännetecknat av att anordna en generator för att alstra de strömpulser med låg elektrisk strömstyrka, som adderas till varandra, varvid gene- ratorn innefattar en arbetslina för transformation av inkommande elektrisk energi först till energi hos ett elektriskt fält, därefter till energi hos ett magnetfält och slutligen till energi hos ett elekt- riskt tält.

12. Förfarande enligt något av krav 1 - ll, kännetecknat av att undertryckande av ljusbâ- gar åstadkoms genom kortslutning av anoden ( 15; 15a, 15b) och katoden (7) hos plasmasönder- delningsenheten (1, 3) före ett faktiskt uppträdande av en ljusbåge.

13. Förfarande enligt något av krav 1 - 12, kännetecknat av att en tendens för transforma- tion av en urladdning fiån glödurladdning till ljusbågsurladdriing detekteras genom förekomst av oscillationer med hög frekvens och hög amplitud hos urladdnlngsspämiíngen och -strömmen

14. Plasmasönderdelningsenhet (1, 3) fór användning vid plasmaaktiverad kemisk ångdeponering innefattande en anod (l5; 15a, 15b) och en katod (7), mellan vilka periodiskt upprepade spänningspulser anbringas på sådant sätt, att pulsade elektriska urladdningar åstad- koms mellan katoden och den omgivande anoden hos plasmasönderdelningserilxeten ( 1, 3), kän- netecknad av att anoden (l5; 15a, 15b) är anordnad, så att åtminstone en del (17) av denna er- håller endast en elektriskt ledande beläggning eller väsentligen ingen beläggning alls, när enhe- ten tör kemisk ângdeponering år i drift.

15. Plasmasönderdelningsenhet enligt krav 14, kännetecknad av att nämnda åtminstone en del (17) av anoden innefattar ett parti, som är skärmat mot direkt beläggning av partiklar från det bildade plasmat när enheten är i drift.

16. Plasmasönderdelningsenhet enligt något av krav 14 - 15, kännetecknad av att den har sina egna anod- och katodutrymmen, varvid anoden (l5; 15a, 15b) omger katodutryrnmet, kato- den (7) har ett effektivitetshöj ande magnetfält och är elektriskt isolerad från den omgivande ano- den. 532 505 26

17. Plasrnasönderdelningsenhet enligt något av krav 14 - 16, kännetecknad av att nämnda åtminstone en del (17) av anoden (15; l5a, 15b) är belägen i direkt närhet av katodens (7) fria yta (5)-

18. Plasmasönderdelningsenhet enligt något av krav 14 - 17, kännetecknad av att nämnda 5 åtminstone en del (17) av anoden (15; l5a, 15b) är ett fläns- eller kantpartí, vilket är beläget eller sträcker sig över kantomrâden hos katodens (7) fiia yta (5).

19. Plasmasönderdelníngsenhet enligt något av krav 14 - 18, kännetecknar! av att plasmasönderdelningsenheten är anordnad att utsända en divergent stråle (13) av joniserade radi- kaler, joners och elektroner, som bildar ett kvasineutralt plasma, när plasmasönderdelningsenhe- 10 ten är i drift, vilken är ansluten till ett vakuurnkärl med relativt låg tryck eller vakuurn, till vilket en arbetsgas tillförs.

20. Plasmasönderdelningsenhet enligt krav 19, kännetecknad av att plasmastrålen (13) är riktad vinkelrätt mot katodens (7) fiia yta (5).

21. Plasmasönderdelningserihet enligt krav 20, kännetecknad av att katoden (7) har plan 15 form.