Источник плазмы

Изобретение относится к устройству формирования плазмы. Устройство содержит источник плазмы с полым телом (1) источника плазмы и блоком (5) эмиссии электронов для эмиссии свободных электронов в полое тело источника плазмы, при этом полое тело (1) источника плазмы имеет первый газовый вход (7а) и отверстие (10) источника плазмы, которое образует отверстие к вакуумной камере, а также анод с полым телом (2) анода. При этом полое тело (2) анода имеет второй газовый вход (7b) и отверстие (11) анода, которое образует отверстие к вакуумной камере, и источник (8) напряжения, отрицательный полюс которого соединен с блоком (5) эмиссии электронов. Положительный полюс источника (8) напряжения дополнительно электрически соединен с полым телом источника плазмы через первое параллельно включенное сопротивление (6а). Техническим результатом является повышение стабильности процесса нанесения покрытия за счет исключения нанесения покрытия на источник плазмы и полый анод. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Данное изобретение относится к устройству формирования плазмы для формирования плазмы и к способу формирования плазмы в вакуумной установке для нанесения покрытий, например, с целью плазменного травления, нагревания, азотирования и осаждения слоев с помощью процессов усиленного плазмой осаждения из газовой фазы (PE-CVD).

Изобретение основано на источнике плазмы, который работает по принципу термической эмиссии электронов и приложения отрицательного напряжения к нагреваемому эмиттеру (эффект Шотки) или по принципу источника плазмы с полым катодом. Согласно изобретению для устройства формирования плазмы в качестве анода применяется электрически ограниченное полое пространство, которое установлено, например, с выступом на вакуумном приемнике. Это полое пространство после выключения плазмы закрывается обтюраторным механизмом, за счет чего предотвращаются загрязнения, вызванные следующими этапами процесса. Предпочтительно включение источника плазмы обеспечивается с помощью параллельно включённых сопротивлений.

Ниже приводится в качестве примера подробное пояснение изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - устройство формирования плазмы, содержащее источник плазмы, полый анод, а также средства для облегчения зажигания;

Фиг. 2 - распределение травления: скорость травления в виде функции положения подложки;

Фиг. 3а-3f - варианты расположения источника плазмы и полого анода;

Фиг. 4 - расположение источника плазмы и полого анода в установках с большей высотой загрузки;

Фиг. 5 - несколько полых тел анода с переключательным блоком;

Фиг. 6а-6b - полое тело источника плазмы и полое тело анода с устройствами 13а и 13b формирования магнитного поля.

На Фиг. 1 показано устройство формирования плазмы согласно изобретению для обработки деталей, например, до или во время нанесения покрытия в вакуумной установке. Показана вакуумная камера 3 с установленным на ней через изоляторы с электрической изоляцией с помощью фланца полым телом 1 источника плазмы, которое является частью источника плазмы. Кроме того, источник плазмы содержит блок 5 эмиссии электронов, который используется в качестве средства для формирования свободных электронов. Это средство выступает в полое тело 1 источника плазмы, так что электроны формируются в полом теле 1 источника плазмы. Например, в качестве такого блока 5 эмиссии электронов пригодна вольфрамовая нить, которая нагрета до температуры примерно 2700 – 3000 К. За счет приложения напряжения с помощью источника 8 напряжения к блоку 5 эмиссии электронов он становится эмиттером электронов. Через газовый вход 7а в полое тело 1 источника плазмы подается газ. Газ ионизируется с помощью свободных электронов, формируемых блоком 5 эмиссии электронов. В качестве газа пригоден, например, аргон.

Положительный полюс источника 8 напряжения электрически соединен с полым телом 1 источника плазмы через включенное параллельно источнику плазмы сопротивление (PSsR). При включении источника напряжения, через это параллельное сопротивление 6а может протекать ток, за счет чего обеспечивается возможность подачи энергии в плазму в полом теле 1 источника плазмы. Возникающая за счет этого в полом теле 1 источника плазмы плазма проходит через предусмотренное в полом теле 1 источника плазмы отверстие 10 источника плазмы в пространство вакуумной камеры 3 и заполняет его.

На вакуумной камере 3 установлено через изоляторы 4 электрически изолированно с помощью фланцев другое полое тело, которое в последующем называется полым телом 2 анода. Вакуумная камера 3 и полое тело 2 анода соединены друг с другом через анодное отверстие 11. Полое тело 2 анода электрически соединено непосредственно с положительным полюсом источника 8 напряжения. В полом теле 2 анода предусмотрен газовый вход 7b, через который в полое тело 2 анода подается газ. Это может быть, например, аргон.

Дополнительно к этому, стенка вакуумной камеры 3 соединена через второе параллельное сопротивление 6b с источником 8 напряжения. За счет этого обеспечивается возможность прохождения разрядного тока от блока 5 эмиссии электронов к стенке камеры. Поскольку полое тело 2 анода непосредственно соединено с положительным полюсом источника 8 напряжения, то ток проходит предпочтительно через полое тело 2 анода для разряда, и в полом теле анода образуется плазма. За счет этого замыкается пригодный для большого тока путь, который может принимать очень большой ток разряда при низком напряжении. Ток может составлять вплоть до нескольких сотен А при напряжении примерно 16-100 В.

Свойства формируемой таким способом плазмы очень сильно зависят от отверстия 10 источника плазмы и отверстия 11 анода. Вдоль этих отверстий происходит ускорение электронов за счет падения потенциала и за счет присутствия, например, атомов газа аргона очень сильная их ионизация, а именно, перед и внутри отверстий. Эти отверстия предпочтительно имеют диаметр между 4 мм и 30 мм. Предпочтительно, диаметры составляют примерно 12 мм. Расстояние между источником плазмы и полым анодом составляет между 200 и 400 мм. Расстояние отверстий до подлежащих обработке подложек составляет между 200 и 400 мм.

Другие характерные рабочие параметры в данном примере:

Подача газа аргона: 50-200 см³/с в источник плазмы и/или полый анод

Ток разряда: 200 А

Напряжение разряда источника плазмы: 16-30 В

Напряжение разряда полого анода: 16-100 В.

Преобразуемая в источнике плазмы и полом аноде мощность должна отводиться с помощью известных специалистам в данной области техники мер (не изображено на Фиг. 1).

С помощью описанного выше устройства формирования плазмы можно осуществлять устойчивый плазменный процесс.

В устройстве формирования плазмы согласно изобретению можно отказаться от обычно необходимого технического обслуживания перед началом каждого процесса, в частности, когда анод с помощью диафрагм может быть защищен от покрытия. Для процесса травления диафрагма перед отверстием анода открывается, так что в полом аноде может возникать плазма. Для возможного последующего процесса нанесения покрытия, например электродугового испарения или распыления, диафрагму можно закрывать с помощью обтюратора. То же относится, соответственно, к отверстию 10 источника плазмы к вакуумной камере.

Поскольку сам анод активно используется в качестве источника плазмы, то значительно повышается объем плазмы по сравнению с уровнем техники. Устройство формирования плазмы можно предпочтительно использовать, например, при плазменном травлении, плазменном нагревании и при нанесении покрытия PE-CVD.

При плазменном нагревании можно использовать, например, аргон и водород, за счет чего формируется атомный водород, который имеет высокую реактивность и пригоден, например, для удаления органических остатков.

В рамках нанесения покрытия PE-CVD можно применять, например, аргон в качестве газа для продувки для источника плазмы и полого анода. Если в рамках нанесения покрытия в вакуумную камеру подается, например, С₂Н₂ и/или СН₄ или газ другого мономера или полимера, то в плазме при применении отрицательного напряжения подложки осаждается содержащий углерод слой, например слой DLC (алмазообразного углерода). Если отверстия 10, 11 источника плазмы и полого анода имеют соответствующую форму, то там образуется сверхзвуковой поток. Это вместе с высокой плотностью энергии приводит к тому, что не происходит нанесения покрытия на источник плазмы и/или полый анод. Поэтому соответствующие внутренние поверхности остаются по существу без покрытия и тем самым электрически проводящими, что значительно способствует стабильности процесса.

На Фиг. 3 показаны варианты расположения источника плазмы и полого анода, которые образуют устройство формирования плазмы согласно изобретению. При этом острие стрелки всегда направлено к полому аноду, а конец стрелки лежит вблизи источника плазмы. Соединения выполнены в соответствии с Фиг. 1. На Фиг. 3а показано простое соединение с помощью фланца с боковой стенкой вакуумной камеры. На Фиг. 3b, 3c, 3d и 3f показано присоединение с помощью фланцев двух источников плазмы и двух полых анодов, при этом направления тока имеют различную пространственную ориентацию. На Фиг. 3 схематично показано соединение с помощью фланца источника плазмы с крышкой вакуумной камеры и соединение с помощью фланца полого анода с дном вакуумной камеры. Также в вакуумных камерах с большей высотой загрузки могут быть расположены друг над другом два устройства формирования плазмы согласно изобретению. Это показано схематично на Фиг. 4.

Упомянутые в данном описании параллельные сопротивления 6а и 6b предпочтительно лежат между 10 Ом и 100 Ом включительно, особенно предпочтительно между 20 Ом и 50 Ом включительно.

Может быть предпочтительным использование лишь плазмы, которая формируется на теле анода. В соответствии с этим, в другом предпочтительном варианте выполнения данного изобретения осуществляется электрическое управление несколькими полыми телами анода по меньшей мере через одно полое тело источника плазмы посредством одновременного, или последовательного, или перекрывающегося включения переключателей переключательного блока 12. Это показано на Фиг. 4, при этом средства для зажигания разряда здесь для упрощения не изображены.

Согласно другому варианту выполнения данного изобретения можно повышать напряжение разряда на аноде за счет использования магнитных полей. За счет этого происходит ускорение ионов, формируемых у входного отверстия полого тела анода и в связи с этим имеющих высокую энергию частиц. Магнитные поля можно использовать также на полом теле источника плазмы.

На Фиг. 6а и 6b показаны полое тело источника плазмы и полое тело анода с устройствами 13а и 13b формирования магнитного поля.

В то время как магнитное поле полого тела 13b источника плазмы обеспечивает направление электронов и тем самым ионов в вакуумный приемник, магнитное поле 13а на полом теле анода вызывает отклонение электронов и тем самым повышение падения напряжения перед анодом (эффект Холла). Этот потенциал ускоряет в свою очередь ионизированные атомы газа и придает им повышенную энергию.

1. Устройство формирования плазмы, содержащее

- источник плазмы с полым телом (1) источника плазмы и блоком (5) эмиссии электронов, который обеспечивает возможность эмиссии свободных электронов в полое тело источника плазмы, при этом полое тело (1) источника плазмы имеет первый газовый вход (7а) и отверстие (10) источника плазмы, которое образует отверстие в вакуумную камеру,

- а также анод с полым телом (2) анода, при этом полое тело (2) анода имеет второй газовый вход (7b) и отверстие (11) анода, которое образует отверстие в вакуумную камеру,

- и источник (8) напряжения, отрицательный полюс которого соединен с блоком (5) эмиссии электронов и положительный полюс которого соединен с полым телом (2) анода,

отличающееся тем, что положительный полюс источника (8) напряжения дополнительно электрически соединен с полым телом источника плазмы через первое параллельно включенное сопротивление (6а).

2. Устройство формирования плазмы по п. 1, отличающееся тем, что положительный полюс источника (8) напряжения электрически соединен через второе параллельно включенное сопротивление (6b) с вакуумной камерой.

3. Устройство формирования плазмы по любому из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что у отверстия (10) источника плазмы предусмотрена диафрагма (9р), которой можно при необходимости закрывать отверстие источника плазмы.

4. Устройство формирования плазмы по п. 1, отличающееся тем, что у отверстия (11) анода предусмотрена диафрагма (9а), которой можно при необходимости закрывать отверстие (11) анода.

5. Устройство формирования плазмы по п. 1, отличающееся тем, что отверстие источника плазмы и/или отверстие анода выполнены таким образом, что во время работы может возникать сверхзвуковой поток через отверстие и/или отверстия.

6. Способ нанесения покрытия на подложки путем усиленного плазмой осаждения из газовой фазы (PE-CVD), при этом моно- и/или полимерный газ подается в вакуумную камеру, которая содержит устройство формирования плазмы, и в вакуумной камере посредством устройства формирования плазмы формируется плазма, и на подлежащие покрытию подложки подается отрицательное напряжение, отличающийся тем, что устройство формирования плазмы является устройством формирования плазмы по п. 5 и за счет этого ни внутреннее пространство полого тела источника плазмы, ни внутреннее пространство полого тела анода не подвергаются нанесению покрытия.