WO2003105543A2 - Verfahren und einrichtung zur reduzierung der zündspannung von plasmen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and associated devices for reducing the ignition voltage of plasmas in a vacuum.
  • plasmas are used to treat substrates, in sputtering processes in vacuum coating systems, in plasma activation in various coating processes and in other vacuum technology processes.
  • Cathode sputtering processes are a main area of application for plasmas within coating technology.
  • components, tools, semi-finished products and finished parts in optics, mechanical engineering, in the packaging, glass and electrical industries are coated by depositing individual layers or layer systems on the respective substrates.
  • the coatings can contain conductive and insulating materials.
  • there is a potential difference between the anode and the cathode which is sufficient to maintain a plasma discharge.
  • the cathode is coated with the coating material.
  • a corresponding magnetic field arrangement ensures that a particularly high plasma density is established in the vicinity of the cathode.
  • the coating material is removed by atomization and can be deposited on the substrate.
  • other components that come into contact with the atomized material are coated with continuously growing layers in this way.
  • the object of the invention is to realize a method with an associated device for operating plasmas, which is characterized on the one hand by the long-term stability of methods with a hidden anode and on the other hand only requires an ignition voltage of the plasma which is in the range of the internal voltage of the discharge or just a little bit above.
  • the method should be suitable for different vacuum technology processes in different facilities.
  • the object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. Possible advantageous configurations are described in subclaims 2 to 11. A device for carrying out the method according to the invention is described in claim 12, with advantageous embodiments of such a device being found in claims 13 to 21.
  • the invention is based on the knowledge that the electrical quality of an anode determines the process stability and the long-term behavior of plasma discharges, but only to a small extent the level of the required ignition voltage.
  • anode is operated during the entire discharge and is arranged in a known manner - for example as a hidden anode - in such a way that it is exposed to coatings as little as possible. At least one further anode is arranged so that a low ignition voltage can be expected. Possible coatings on this anode need not necessarily be avoided, since this anode is only connected as an anode during the ignition of the plasma discharge. It forms an unprotected anode in relation to the coating process.
  • an anode is used whose surface corresponds to a multiple of the cathode surface and / or whose distance from the cathode is very small. Both lead to a reduction in the ignition voltage in such an arrangement.
  • the positive output of the power supply in relation to the cathode potential with the anode is used for ignition for a sufficiently long time connected to the plasma, the area of which either corresponds to a multiple of the cathode area, or which is spatially close to the cathode is arranged. This leads to a sufficiently high generation of charge carriers during the ignition of the plasma.
  • a conventional switch e.g. contactor, relay, electronic switch [IGBT or the like]
  • the anode for igniting the plasma is separated from the positive output of the power supply and the hidden anode is connected only to the positive pole of the voltage supply.
  • the ignition voltage is related to the size of the anode surface or the distance between the cathode and the anode, the ignition voltage can be significantly reduced in this way and the plasma can be operated simultaneously with a hidden anode. In this way, the coating of the hidden anode can be significantly reduced or kept low, which leads to high uniformity and process reliability over long process times.
  • the ignition voltage of the plasma is in the range of the burning voltage of the plasma or only slightly above it. Surprisingly, it was found that even after a long process time, the inevitable parasitic coating of the unprotected anode to ignite the plasma (through dielectric or insulating layers) has no disruptive effect on the functional principle described above. There is only a slight increase in the observed ignition voltage when the unprotected anode is almost completely isolated.
  • the unprotected anode for igniting the plasma is referred to below as the auxiliary anode.
  • the essence of the method according to the invention is that an anode configuration which is different from the anode configuration used to maintain the plasma discharge and which requires a significantly lower ignition voltage than the anode configuration to maintain the plasma discharge is used to ignite the plasma.
  • the ignition voltage is largely independent of the coating state of the auxiliary anode, it is to be regarded as advantageous that large-area components of the coating system can be used as the auxiliary anode, even if they are exposed to a large extent to a coating. Their area should be much larger than the area of the cathode of the plasma discharge. This saves the separate installation of an additional anode. It is only necessary to take precautions for appropriate wiring of these components.
  • a particularly advantageous solution to the invention problem lies in the use of the recipient wall of the vacuum system used as an auxiliary anode.
  • auxiliary anode Another advantageous embodiment consists in the use of components arranged very close to the cathode as an auxiliary anode.
  • These can be structural components such as screens or the like, as well as simple anode constructions installed in the vicinity of the cathode for the purpose of reducing the ignition voltage.
  • the combination of several auxiliary anodes has proven to be particularly effective for reducing the ignition voltage.
  • Large-area auxiliary anodes can be combined with auxiliary anodes arranged particularly close to the cathode.
  • An advantage of the method according to the invention is the suitability for individual magnetrons, since the need for cyclical sputtering of the coated anode surface is eliminated. This necessity was the main argument for the use of complicated and expensive double magnetrons.
  • the output voltage of the power supply can be limited to a value that is only slightly above the burning voltage of the expected plasma discharge, which means that expensive power supplies with large power reserves do not have to be used.
  • Another advantage of the method according to the invention is the possibility of being carried out in conventional vacuum systems after a very simple retrofitting.
  • This retrofitting can, if necessary, be limited to adapting the electrical wiring of certain components in vacuum systems.
  • a particularly high level of functional reliability is achieved if the ignition voltage is monitored by appropriate measuring equipment.
  • the ignition voltage observed increases after very long coating times, a coating state of the auxiliary anode can be predicted in good time, which could lead to an impairment of the function of the auxiliary anode at a later point in time.
  • Through maintenance measures or the timely replacement of the auxiliary anode its functionality can always be guaranteed. It is particularly advantageous if the switchover between the different anode configurations takes place as a function of at least one monitored process parameter.
  • This can be, for example, the duration of an interruption in the energy supply or the current intensity fed into the auxiliary anode. It is particularly advantageous to combine the means for switching between different anode configurations with a unit for intelligent process control that has at least one process parameter monitors and triggers a switchover only if the monitored process parameter exceeds or falls below a certain threshold.
  • the anode configuration can be changed automatically if, after a longer pause in the energy supply, as may be necessary in the case of Are shutdowns, it is intended to facilitate re-ignition of the plasma.
  • the return to the anode configuration to maintain the plasma discharge can occur automatically when the current fed into the auxiliary anode exceeds a predetermined value.
  • the method can be carried out particularly reliably if passive components or networks for limiting the current fed into the auxiliary anode are included, which protect against overloading the power supply.
  • FIG. 1 a device for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 shows a device for performing the method according to the invention, the one
  • a vacuum coating system there is an atomization device which serves for the reactive deposition of zinc oxide layers with a thickness of 10 nm to 100 nm on a substrate 2 made of glass.
  • the atomization system essentially consists of a cathode, which in turn consists of a zinc target 3 and a magnetron 4.
  • An anode 5 is arranged in an electrically insulated manner in the vacuum coating system.
  • a gas inlet system 6 and a pump system 7 are also connected to the recipient 1 of the vacuum coating system.
  • An electrical energy source is still required to operate the atomization process. This is a pulsed power supply 8, the positive output of which is connected to the anode 5.
  • the output voltage of the power supply is limited to a value that is only slightly above the operating voltage of the expected plasma discharge, which means that expensive power supplies with large power reserves do not have to be used.
  • the anode 5 is hidden by covers 10, whereby it is largely protected from coatings, which enables stable deposition of zinc oxide layers over a long period of time.
  • the pulsed power supply 8 is switched on at the beginning of the process, so that the cathode, consisting of magnetron 4 and zinc target 3, has an electrically negative voltage with respect to the earth potential with the first pulse. At the anode 5 there is an electrically positive voltage with respect to the earth potential. However, the discharge cannot ignite due to the limited output voltage of the power supply 8.
  • the positive pole of the voltage source is now connected to the chamber wall of the recipient 1 for a time of about 100 ⁇ s, which thereby becomes the auxiliary anode. Because of this, the discharge ignites, since the required ignition voltage has been reduced many times and is below the value of the output voltage of the power supply 8. The discharge ignited in this way means that charge carriers are generated quickly.
  • the switch 9 is opened again. However, the charge carrier density that has now been reached is so high that the discharge can now only be maintained with the hidden anode 5 until the first pulse pause occurs.
  • the recipient wall 1 is again connected as an auxiliary anode for 100 ⁇ s. This procedure is continued until the desired layer thickness has been deposited on the substrate 2.
  • the recipient 1 of a vacuum coating system there is an atomization device which serves for the reactive deposition of silicon oxide layers with a thickness of 10 nm to 100 nm on a substrate 2 made of glass.
  • the sputtering system essentially consists of a cathode, which in turn consists of a silicon target 3 and a magnetron 4.
  • An anode 5 is arranged in an electrically insulated manner in the vacuum coating system.
  • a gas inlet system 6 and a pump system 7 are also connected to the recipient 1 of the vacuum coating system.
  • An electrical energy source is still required to operate the atomization process.
  • This is a pulsed power supply 8, the positive output of which is connected to the anode 5.
  • the output voltage of the power supply 8 is at one value limited, which is only slightly above the burning voltage of the expected plasma discharge.
  • the pulsed power supply 8 is switched on at the beginning of the process, so that the cathode, consisting of magnetron 4 and silicon target 3, generates an electrically negative voltage with the first pulse With respect to the earth potential.
  • the cathode consisting of magnetron 4 and silicon target 3
  • the cathode consisting of magnetron 4 and silicon target 3
  • the cathode consisting of magnetron 4 and silicon target 3
  • the cathode consisting of magnetron 4 and silicon target 3
  • the cathode consisting of magnetron 4 and silicon target 3
  • the positive pole of the voltage source is now connected to the auxiliary anode 10 in the immediate vicinity of the cathode for a time of approximately 50 ⁇ s. Because of this, the discharge ignites, since the required ignition voltage has been significantly reduced and is below the value of the output voltage of the power supply 8. The discharge thus ignited has the consequence that charge carriers are generated quickly.
  • the switch 9 is opened again. However, the charge carrier density that has now been reached is so high that the discharge can now only be maintained with the hidden anode 5 until the first pulse pause occurs.
  • the auxiliary anode 10 is again connected for 50 ⁇ s. This procedure is continued until the desired layer thickness has been deposited on the substrate 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Zündspannung von Plasmen im Vakuum, bei dem zur Zündung des Plasmas eine gegenüber der zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung eingesetzten Anodenkonfiguration veränderte Anodenkonfiguration benutzt wird, die eine wesentlich niedrigere Zündspannung erfordert, als die Anodenkonfiguration zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Reduzierung der Zündspannung von Plasmen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und dazugehörige Einrichtungen zur Reduzierung der Zündspannung von Plasmen im Vakuum. Derartige Plasmen kommen zum Behandeln von Substraten, bei Zerstäubungsprozessen in Vakuumbeschichtungsanlagen, bei der Plasmaaktivierung in verschiedenen Beschichtungsprozessen und bei weiteren vakuumtechnologischen Verfahren zum Einsatz.
Kathodenzerstäubungsverfahren, auch Sputtem genannt, bilden dabei innerhalb der Beschichtungstechnik ein Hauptanwendungsgebiet für Plasmen. Mit ihrer Hilfe werden beispielsweise Bauteile, Werkzeuge, Halbzeuge und Fertigteile in der Optik, im Maschinenbau, in der Verpackungs-, Glas- und Elektroindustrie beschichtet, indem Einzelschichten oder Schichtsysteme auf den jeweiligen Substraten abgeschieden werden. Die Beschichtungen können leitfähige und isolierende Materialien enthalten. Bei diesem Verfahren der Kathodenzerstäubung besteht zwischen Anode und Kathode eine Potentialdifferenz, die zur Aufrechterhaltung einer Plasmaentladung ausreicht. Die Kathode ist mit dem Beschichtungsmaterial belegt. Durch eine entsprechende Magnetfeldanordnung wird sichergestellt, dass sich in der Nähe der Kathode eine besonders hohe Plasmadichte einstellt. Dadurch wird das Beschichtungsmaterial durch Zerstäubung abgetragen und kann sich auf dem Substrat niederschlagen. Allerdings werden auf diese Weise auch andere Bauteile, die mit dem zerstäubten Material in Verbindung kommen, mit kontinuierlich wachsenden Schichten überzogen.
Bei der Abscheidung von schlecht leitfähigen Schichten führt die Beschichtung der Anode mit diesen Schichten zu Prozessinstabilitäten, wie z. B. Potentialdrift und Arcing, also unkontrollierten Überschlägen. Auch bei der Kombination von Plasmaprozessen mit anderen Beschichtungsverfahren stellt die Beschichtung der Elektroden unter Umständen ein Problem dar. Einen Lösungsansatz stellt die Verwendung eines Doppelmagnetronsystems (DMS) dar (DD 252 205 A1). Durch das Betreiben eines DMS-Systems mit einer Wechsel- Spannung wird die Beschichtung der Anode stark reduziert, da jedes Magnetron wechselweise als Kathode oder Anode wirkt. Insbesondere die Beschaltung als Anode ist dabei stets von kurzer Dauer, weshalb sich maximal sehr dünne Schichten auf dem als Anode wirkenden Magnetron bilden können. Diese werden nach dem Wechsel der Polarität sofort wieder zerstäubt, wenn das entsprechende Magnetron die Kathode der Plasmaentladung bildet. Somit bilden sich zu keinem Zeitpunkt Schichten, die eine Funktion einzelner Magnetrons als Anode beeinträchtigen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass zwei Magnetrons zum stabilen Betreiben des Prozesses eingesetzt werden müssen. Als Folge ist ein erhöhter Materialaufwand zu realisieren. Bei manchen Anwendungen sind derartige Anordnungen aus Platzgründen nicht einsetzbar.
Weiterhin ist bereits bekannt, dass mit Hilfe einer versteckten Anode (DE 42 23 505 C1 ) durch die Abschirmung oder räumliche Trennung der Anode vom Beschichtungsprozess die Beschichtung der Anode weitgehend verhindert wird. Bei der Benutzung dieser Anordnung treten Probleme beim Zünden der Entladung auf. Die Ursache liegt in der großen räumlichen Entfernung und/oder der Behinderung des Zündens durch Magnetfelder bzw. räumliche Abschirmung. Dies äußert sich in extrem hohen Zündspannungen, bei deren Bereitstellung viele Einrichtungen zur Stromversorgung an ihre Grenze stoßen. Hohe Zündspannungen bilden somit einen erheblichen Kostenfaktor,
Ein Ansatz zur Reduzierung der Zündspannungen stellt die Erhöhung des Sputterdruckes dar (Goedicke, K.; Liebig, J.; Zywitzki, 0.; Sahm, H.: „Influence of process parameters on the structure and properties of Zr02 coatings deposited by reactive pulsed magnetron sputtering", Thin Solid Films 377-378 (2000) 37-42). Diese Möglichkeit scheidet jedoch meist aus, da dies zu unerwünschten Veränderungen der Schichteigenschaften führt.
Ein weiterer Ansatz ist die Installation eines Hilfsplasmas zur zusätzlichen Ladungsträgergeneration, was jedoch einen sehr hohen apparativen Aufwand darstellt (DE 100 51 508 A1). Besonders problematisch ist die Höhe der zum Zünden erforderlichen Spannung bei Plasmen mit einer niedrigen Ladungsträgerdichte, beispielsweise bei gepulsten Entladungen bzw. einer Umpolung von Entladungen. Das Problem stellt sich außerdem auch bei der Erstzündung von Plasmen sowie nach langen Auszeiten, beispielsweise nach einer Unterbrechung der Energiezufuhr nach einer Bogenentladung. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit einer zugehörigen Einrichtung zum Betreiben von Plasmen zu realisieren, das sich einerseits durch die Langzeitstabilität von Verfahren mit einer versteckten Anode auszeichnet, das andererseits nur eine Zündspannung des Plasmas benötigt, die im Bereich der Brennspannung der Entladung oder nur wenig darüber liegt. Das Verfahren soll in unterschiedlichen Einrichtungen für verschiedene vakuumtechnologische Prozesse geeignet sein. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 1 1 beschrieben. Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 12 beschrieben, wobei sich in den Ansprüche 13 bis 21 vorteilhafte Aus- gestaltungen einer derartigen Einrichtung finden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die elektrische Qualität einer Anode zwar wesentlich die Prozessstabilität und das Langzeitverhalten von Plasmaentladungen, aber nur in geringem Maße die Höhe der erforderlichen Zündspannung bestimmt. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass Anoden, die bereits Beschichtungen tragen, die sie für eine definierte und stabile Prozessführung ungeeignet erscheinen lassen, je nach ihrer Anordnung fast unabhängig von ihrem Zustand einen erheblichen Einfluss auf die Zündspannung haben. Dieser Einfluss wird bestimmt durch die Größe der Anodenfläche und den Abstand zur Kathode, jedoch kaum durch den Beschichtungszustand der Anode. Eine große Anodenfläche bedingt dabei eine niedrige Zündspannung. Das Gleiche gilt für einen geringen Abstand zwischen Anode und Kathode.
Erfindungsgemäß werden zwei Anoden benutzt. Eine Anode wird während der gesamten Entladung betrieben und in bekannter Weise - beispielsweise als versteckte Anode - so angeordnet, dass sie Beschichtungen möglichst wenig ausgesetzt ist. Mindestens eine weitere Anode wird so angeordnet, dass sie eine niedrige Zündspannung erwarten lässt. Mögliche Beschichtungen dieser Anode müssen nicht unbedingt vermieden werden, da diese Anode nur während des Zündens der Plasmaentladung als Anode beschaltet wird. Sie bildet eine ungeschützte Anode in Bezug auf den Beschichtungsprozess. Zur Zündung des Plasmas wird also entweder eine Anode benutzt, deren Oberfläche einem Vielfachen der Katodenoberfläche entspricht und/oder deren Abstand zur Kathode sehr klein ist. Beides führt zu einer Reduzierung der Zündspannung in einer derartigen Anordnung.
Mit Hilfe eines üblichen Schalters (z. B. Schütz, Relais, elektronischer Schalter [IGBT o.a.]) oder sonstigen Mitteln zum Umschalten zwischen verschiedenen Anodenkonfigurationen wird für eine hinreichend lange Zeit der positive Ausgang der Stromversorgung in Bezug auf das Katodenpotential mit der Anode zur Zündung des Plasmas verbunden, deren Fläche entweder einem Vielfachen der Katodenfläche entspricht, oder die räumlich eng zur Katode angeordnet ist. Dies führt zu einer ausreichend hohen Ladungsträgergeneration während der Zündung des Plasmas.
Nach erfolgter Zündung des Plasmas, wird die Anode zur Zündung des Plasmas vom positiven Ausgang der Stromversorgung getrennt und die versteckte Anode ist allein mit l dem positiven Pol der Spannungsversorgung verbunden.
Da die Zündspannung in Zusammenhang mit der Größe der Anodenfläche oder dem Abstand zwischen der Katode und der Anode steht, kann die Zündspannung auf diese Weise deutlich reduziert und das Plasma gleichzeitig mit einer versteckten Anode betrieben werden. Auf diese Weise kann die Beschichtung der versteckten Anode signifikant reduziert bzw. gering gehalten werden, was über lange Prozesszeiten zu einer hohen Gleichmäßigkeit und Prozesssicherheit führt. Gleichzeitig liegt die Zündspannung des Plasmas im Bereich der Brennspannung des Plasmas oder nur geringfügig darüber. Überraschenderweise zeigte sich, dass auch nach einer langen Prozesszeit die unvermeid- liehe parasitäre Beschichtung der ungeschützten Anode zur Zündung des Plasmas (durch dielektrische oder isolierende Schichten) auf das oben beschriebene Funktionsprinzip keinen störenden Einfluss hat. Es kommt erst bei fast völliger Isolierung der ungeschützten Anode zu einem leichten Anstieg der beobachteten Zündspannung.
Im Weiteren wird die ungeschützte Anode zur Zündung des Plasmas als Hilfsanode bezeichnet.
Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zur Zündung des Plasmas eine gegenüber der zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung eingesetzten Anoden- konfiguration veränderte Anodenkonfiguration benutzt wird, die eine wesentlich niedrigere Zündspannung erfordert, als die Anodenkonfiguration zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung.
Durch die weitgehende Unabhängigkeit der Zündspannung vom Beschichtungszustand der Hilfsanode ist es als vorteilhaft anzusehen, dass als Hilfsanode großflächige Bauteile der Beschichtungsanlage verwendet werden können, auch wenn sie in starkem Maße einer Beschichtung ausgesetzt sind. Ihre Fläche sollte wesentlich größer sein, als die Fläche der Kathode der Plasmaentladung. Das spart die separate Installation einer zusätzlichen Anode. Es müssen lediglich Vorkehrungen für eine entsprechende Beschaltung dieser Bauteile getroffen werden. Eine besonders vorteilhafte Lösung des der Erfindung zu Grunde liegenden Problems besteht in der Nutzung der Rezipientenwand der verwendeten Vakuumanlage als Hilfsanode.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht in der Nutzung sehr nah an der Kathode angeordneter Bauteile als Hilfsanode. Das können sowohl konstruktiv bedingte Bauteile, wie Blenden o. ä., als auch extra zum Zweck der Reduzierung der Zündspannung in der Nähe der Kathode installierte einfache Anodenkonstruktionen sein. Als besonders effektiv zur Reduzierung der Zündspannung hat sich die Kombination mehrerer Hilfsanoden erwiesen. Dabei können großflächige Hilfsanoden mit besonders nah an der Kathode angeordneten Hilfsanoden kombiniert werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Eignung für einzelne Magnetrons, da die Notwendigkeit eines zyklischen Zerstäubens der beschichteten Anodenfläche entfällt. Diese Notwendigkeit bildete das Hauptargument für den Einsatz von komplizierten und teuren Doppelmagnetrons. Die Ausgangsspannung der Stromversorgung kann auf einen Wert begrenzt werden, der nur gering über der Brennspannung der zu erwartenden Plasmaentladung liegt, wodurch keine teuren Stromversorgungen mit großen Leistungsreserven eingesetzt werden müssen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Möglichkeit, nach einer sehr einfachen Nachrüstung auch in herkömmlichen Vakuumanlagen ausgeführt zu werden. Diese Nachrüstung kann gegebenenfalls auf eine Anpassung der elektrischen Beschaltung bestimmter Bauteile in Vakuumanlagen beschränkt werden. Eine besonders hohe Funktionssicherheit ergibt sich, wenn die Zündspannung durch entsprechende Messmittel überwacht wird. So kann durch einen evtl. auftretenden Anstieg der beobachteten Zündspannung nach sehr langen Beschichtungszeiten rechtzeitig ein Beschichtungszustand der Hilfsanode vorhergesagt werden, der zu einem noch späteren Zeitpunkt zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Hilfsanode führen könnte. Durch Wartungsmaßnahmen oder den rechtzeitigen Austausch der Hilfsanode kann deren Funktionsfähigkeit stets gewährleistet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Umschaltung zwischen den verschiedenen Anodenkonfigurationen in Abhängigkeit von mindesten einem überwachten Prozessparameter erfolgt. Das kann zum Beispiel die Dauer einer Unterbrechung der Energiezufuhr oder die in die Hilfsanode eingespeiste Stromstärke sein. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Mittel zum Umschalten zwischen verschiedenen Anodenkonfigurationen mit einer Einheit zur intelligenten Prozesssteuerung zu kombinieren, die mindestens einen Prozessparameter überwacht und eine Umschaltung nur dann auslöst, wenn der überwachte Prozessparameter einen bestimmten Schwellwert über- oder unterschreitet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein automatischer Wechsel der Anodenkonfiguration vorgenommen werden, wenn nach einer längeren Pause der Energiezufuhr, wie sie bei Are-Abschaltungen not- wendig sein kann, ein Wiederzünden des Plasmas erleichtert werden soll. Die Rückkehr zur Anodenkonfiguration zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung kann automatisch erfolgen, wenn der in die Hilfsanode eingespeiste Strom einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Eine besonders sichere Durchführung des Verfahrens lässt sich realisieren, wenn passive Bauelemente oder Netzwerke zur Begrenzung des in die Hilfsanode eingespeisten Stroms enthalten sind, die vor einer Überlastung der Stromversorgung schützen.
An zwei Ausführungsbeispielen wird im Folgenden die Erfindung näher beschrieben. Die zugehörigen Abbildungen zeigen dabei: Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter
Nutzung der Rezipientenwand als Hilfsanode. Fig. 2 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine
Hilfsanode in unmittelbarer Nähe der Kathode umfasst.
Fig. 1
Im Rezipienten 1 einer Vakuumbeschichtungsanlage befindet sich eine Zerstäubungseinrichtung, welche zur reaktiven Abscheidung von Zinkoxid-Schichten einer Dicke von 10 nm bis 100 nm auf einem Substrat 2 aus Glas dient. Das Zerstäubungssystem besteht im Wesentlichen aus einer Katode, die wiederum aus einem Zinktarget 3 und einem Magnetron 4 besteht. Eine Anode 5 ist elektrisch isoliert in der Vakuumbeschichtungsanlage angeordnet. Mit dem Rezipienten 1 der Vakuumbeschichtungsanlage sind außerdem ein Gaseinlass-System 6 und ein Pumpsystem 7 verbunden. Zur Betreibung des Zerstäubungsprozesses wird weiterhin eine elektrische Energiequelle benötigt. Diese ist eine gepulste Stromversorgung 8, deren positiver Ausgang mit der Anode 5 verbunden ist. Die Ausgangsspannung der Stromversorgung ist auf einen Wert begrenzt, der nur gering über der Brennspannung der zu erwartenden Plasmaentladung liegt, wodurch keine teuren Stromversorgungen mit großen Leistungsreserven eingesetzt werden müssen. Es besteht die Möglichkeit, den positiven Ausgang der Stromversorgung mit Hilfe eines Schalters 9 mit der Kammerwand des Rezipienten 1 zu verbinden, die dann ebenfalls als Anode wirken kann. Die Anode 5 ist durch Abdeckungen 10 versteckt angeordnet, wodurch sie weitgehend vor Beschichtungen geschützt ist, was über lange Zeit eine stabile Abscheidung von Zinkoxidschichten ermöglicht.
Das Verfahren wird mit dieser Einrichtung wie folgt ausgeführt:
Nach Beschickung und Evakuierung des Rezipienten wird zu Beginn des Prozesses die gepulste Stromversorgung 8 zugeschaltet, so dass an der Katode, bestehend aus Magnetron 4 und Zinktarget 3, mit dem ersten Puls eine elektrisch negative Spannung in Bezug auf das Erdpotential anliegt. An der Anode 5 liegt eine elektrisch positive Spannung in Bezug auf das Erdpotential an. Die Entladung kann jedoch auf Grund der begrenzten Ausgangsspannung der Stromversorgung 8 nicht zünden.
Mit Hilfe des Schalters 9 wird nun für eine Zeit von etwa 100 μs der positive Pol der Spannungsquelle mit der Kammerwand des Rezipienten 1 verbunden, die dadurch zur Hilfsanode wird. Auf Grund dessen zündet die Entladung, da die erforderliche Zünd- Spannung um ein Vielfaches herabgesetzt wurde und unter dem Wert der Ausgangsspannung der Stromversorgung 8 liegt. Die so gezündete Entladung hat zur Folge, dass eine rasche Generierung von Ladungsträgern stattfindet. Nach der Zeit von etwa 100 μs wird der Schalter 9 wieder geöffnet. Die inzwischen erreichte Ladungsträgerdichte ist jedoch so hoch, dass die Entladung nun ausschließlich mit der versteckten Anode 5 weiter aufrechterhalten werden kann, bis die erste Pulspause eintritt. Zum Zünden des Plasmas im nächsten Puls erfolgt wiederum für 100 μs eine Beschaltung der Rezipientenwand 1 als Hilfsanode. Diese Vorgehensweise wird fortgesetzt, bis auf dem Substrat 2 die gewünschte Schichtdicke abgeschieden ist.
Fig. 2
Im Rezipienten 1 einer Vakuumbeschichtungsanlage befindet sich eine Zerstäubungseinrichtung, welche zur reaktiven Abscheidung von Siliziumoxid-Schichten einer Dicke von 10 nm bis 100 nm auf einem Substrat 2 aus Glas dient. Das Zerstäubungssystem besteht im Wesentlichen aus einer Katode, die wiederum aus einem Siliziumtarget 3 und einem Magnetron 4 besteht. Eine Anode 5 ist elektrisch isoliert in der Vakuumbeschichtungsanlage angeordnet. Mit dem Rezipienten 1 der Vakuumbeschichtungsanlage sind außerdem ein Gaseinlass-System 6 und ein Pumpsystem 7 verbunden. Zur Betreibung des Zerstäubungsprozesses wird weiterhin eine elektrische Energiequelle benötigt. Diese ist eine gepulste Stromversorgung 8, deren positiver Ausgang mit der Anode 5 verbunden ist. Die Ausgangsspannung der Stromversorgung 8 ist auf einen Wert begrenzt, der nur gering über der Brennspannung der zu erwartenden Plasmaentladung liegt.
Es besteht die Möglichkeit, den positiven Ausgang der Stromversorgung 8 mit Hilfe eines Schalters 9 mit einer Hilfsanode 10 zu verbinden, die in unmittelbarer Nähe der Kathode angeordnet ist. Die Anode 5 selbst ist durch Abdeckungen 1 1 versteckt angeordnet, wodurch sie weitgehend vor Beschichtungen geschützt ist, was über lange Zeit eine stabile Abscheidung von Siliziumoxidschichten ermöglicht.
Das Verfahren wird mit dieser Einrichtung wie folgt ausgeführt: Nach Beschickung und Evakuierung des Rezipienten wird zu Beginn des Prozesses die gepulste Stromversorgung 8 zugeschaltet, so dass an der Katode, bestehend aus Magnetron 4 und Siliziumtarget 3, mit dem ersten Puls eine elektrisch negative Spannung in Bezug auf das Erdpotential anliegt. An der Anode 5 liegt eine elektrisch positive Spannung in Bezug auf das Erdpotential an. Die Entladung kann jedoch auf Grund der begrenzten Ausgangsspannung der Stromversorgung 8 nicht zünden.
Mit Hilfe des Schalters 9 wird nun für eine Zeit von etwa 50 μs der positive Pol der Spannungsquelle mit der Hilfsanode 10 in unmittelbarer Nähe der Kathode verbunden. Auf Grund dessen zündet die Entladung, da die erforderliche Zündspannung wesentlich herabgesetzt wurde und unter dem Wert der Ausgangsspannung der Stromversorgung 8 liegt, Die so gezündete Entladung hat zur Folge, dass eine rasche Generierung von Ladungsträgern stattfindet. Nach der Zeit von etwa 50 μs wird der Schalter 9 wieder geöffnet. Die inzwischen erreichte Ladungsträgerdichte ist jedoch so hoch, dass die Entladung nun ausschließlich mit der versteckten Anode 5 weiter aufrechterhalten werden kann, bis die erste Pulspause eintritt. Zum Zünden des Plasmas im nächsten Puls erfolgt wiederum für 50 μs eine Beschaltung der Hilfsanode 10. Diese Vorgehensweise wird fortgesetzt, bis auf dem Substrat 2 die gewünschte Schichtdicke abgeschieden ist.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Reduzierung der Zündspannung von Plasmen im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zündung des Plasmas eine gegenüber der zur Aufrecht- erhaltung der Plasmaentladung eingesetzten Anodenkonfiguration veränderte
Anodenkonfiguration benutzt wird, die eine wesentlich niedrigere Zündspannung erfordert, als die Anodenkonfiguration zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Zündung des Plasmas zusätzlich zu der zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung eingesetzten
Anodenkonfiguration mindestens eine Hilfsanode zugeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hilfsanode zugeschaltet wird, deren Fläche wesentlich größer als die Kathode der Plasmaentladung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsanode die Wand der Vakuumanlage verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hilfsanode zugeschaltet wird, die in geringem Abstand zur Kathode angeordnet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in gepulsten Plasmen zu Beginn jedes Pulses die Anodenkonfiguration verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verfahrensparameter überwacht und zum Zünden des Plasmas die Anodenkonfiguration nur verändert wird, wenn dieser Verfahrensparameter einen Schwellwert über- oder unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zünden des Plasmas die Anodenkonfiguration nur verändert wird, wenn die Energiezufuhr zuvor für einen vorgegebenen Mindestzeitraum unterbrochen war.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer festgelegten Zeit zu der zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung eingesetzten Anodenkonfiguration zurückgeschaltet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu der zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung eingesetzten Anodenkonfiguration zurückgeschaltet wird, wenn ein überwachter Verfahrensparameter einen Schwellwert übersteigt.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zu der zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung eingesetzten Anodenkonfiguration zurückgeschaltet wird, wenn der Strom der Entladung einen vorgegeben Wert übersteigt,
12. Einrichtung zur Reduzierung der Zündspannung von Plasmen im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die es ermöglichen, zwischen mindestens zwei Anodenkonfigurationen zu wechseln, die deutlich unterschiedliche Zündspannungen erfordern.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anoden- konfiguration eine verdeckte Anode umfasst.
14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anodenkonfiguration eine in unmittelbarer Nähe der Kathode angeordnete Hilfsanode enthält.
15. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anodenkonfiguration eine Hilfsanode enthält, deren Fläche wesentlich größer als die Fläche der Kathode der Plasmaentladung ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anodenkonfiguration die Wand des Rezipienten als Hilfsanode beschaltet werden kann.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umschalten zwischen den Anodenkonfigurationen mit einer Einheit zur Prozesssteuerung verbunden sind, die mindestens einen Prozessparameter überwacht und die Umschaltung auslöst, wenn dieser Parameter einen Schwellwert über- oder unterschreitet.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Prozesssteuerung Mittel enthält, die eine Umschaltung zwischen den Anodenkonfigurationen in Abhängigkeit von der Dauer der Unterbrechung der Energieeinspeisung in das Plasma ermöglichen.
19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Prozesssteuerung Mittel enthält, die eine Umschaltung zwischen den Anodenkonfigurationen in Abhängigkeit vom in die Hilfsanode eingespeisten Strom ermöglichen.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche .12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass passive Bauelemente oder Netzwerke zur Begrenzung des in die Hilfsanode eingespeisten Stroms enthalten sind.
21 . Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Messmittel zur Überwachung der Zündspannung enthalten sind.
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