DE69511103T2

DE69511103T2 - Vorrichtung zur erzeugung einer linearen bogenentladung für plasmabehandlung

Info

Publication number: DE69511103T2
Application number: DE69511103T
Authority: DE
Inventors: Hana Barankova; Ladislav Bardos
Original assignee: SURFCOAT MIKKELI Oy
Current assignee: Savcor Coatings Mikkeli Fi Oy
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2015-10-21
Also published as: AU3942095A; WO1996016531A1; AU688996B2; DK0792572T3; JP3652702B2; SE9403988L; EP0792572B1; SE9403988D0; NO972280L; SE503141C2; ES2138755T3; CA2205576C; JPH10509833A; DE69511103D1; NO972280D0; US5908602A; EP0792572A1; NO309920B1; KR100333800B1; ATE182738T1

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für Plasmabearbeitung, insbesondere für die Oberflächenbearbeitung massiver Substrate.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Aufgrund der hohen Ionendichte des erzeugten Plasmas stellen die Lichtbogenentladungen sehr leistungsfähige Werkzeuge in der Plasmabearbeitungstechnologie dar. Lichtbogenquellen werden zur Erzeugung reaktiver Plasmen in einem Arbeitsgas verwendet, wobei sie Plasma produzieren können, das Partikel von abgesputterten und/oder verdampften Elektroden, oder chemische Verbindungen dieser Partikel mit dem Arbeitsgas, enthält. Die Eigenschaften von Lichtbogenentladungen hängen von den Energien und Dichten der erzeugten Ionen und Elektronen ab, die durch den Druck des Arbeitsgases beeinflußt werden. Eine breite Vielfalt von Gasplasmatrons verwenden Lichtbogenentladungen bei Atmosphärendrücken, und zwar aufgrund einer einfachen Anordnung ohne Vakuumpumpen. Allerdings erfordert eine Erzeugung eines Lichtbogens basierend auf einem nicht isothermischen Plasma mit kontrollierbaren Ionenenergien niedrige Gasdrücke. Unterschiedliche Typen von Lichtbogenentladungen werden für diesen Zweck verwendet. Die meisten davon werden durch Gleichstrom-(DC)-Hochleistungsgeneratoren erzeugt. Eine typische Niederdruckquelle für eine Plasmabearbeitung ist ein kaskadierter Lichtbogen. (Europäisches Patent 0297637), was eine Strömung eines aktiven Plasmas in einem Arbeitsgas produziert. Metallionen in Plasmen werden gewöhnlich von einer Elektrode erzeugt, die durch die Lichtbogenentladung abgesputtert und/oder verdampft wird; siehe D. M. Sanders et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 18, 883-894 (1990). Die erodierte Elektrode ist gewöhnlich eine planare Kathode in dem DC-Lichtbogenschaltkreis mit einer elektrisch geerdeten Anode. Die Kathode ist wassergekühlt und der Gehalt an unlösbaren Mikrotröpfchen - "Makropartikel" -, die in dem verdampften Kathodenmaterial vorhanden sind, wird durch Kreisen der Bewegung des Kathodenflecks auf der Kathodenoberfläche reduziert. In neueren Kathodenlichtbogenquellen werden die Makropartikel durch einen Hilfs magnetfeldfilter gefiltert (US-Patent Nr. 5,279,723). Der Gehalt an Makropartikeln ist gewöhnlich niedriger dann, wenn die verbrauchbare Elektrode bis zu der Schmelztemperatur aufgeheizt wird. Es ist auch möglich, Lichtbogenanordnungen mit einer verbrauchbaren Anode anstelle der Kathode zu verwenden; siehe z. B. M. Mausbach et al., Vacuum 41, 1393-1395 (1990). Kalte, verbrauchbare Kathoden sind in der Größe begrenzt und erfordern die magnetischer Filterung, was die Möglichkeit einer Hochskalierung dieser Quellen begrenzt. Verbrauchbare Elektroden enthaltende Flüssigmetalltiegel, können nur in eingeschränkten Positionen installiert werden. Die meisten Lichtbogenquellen erfordern einen zusätzlichen Schalter, um die Entladung zu starten.
Die DE-A-42 35 953 offenbart eine Sputterquelle basierend auf einer hohlen Kathode mit parallelen Platten mit einer gekühlten Oberfläche (Target). Diese Vorrichtung ist nicht prinzipiell dazu ausgelegt, eine Lichtbogenentladung zu erzeugen.
Eine Erzeugung einer Lichtbogenentladung ist sehr effizient in hohlen Kathoden. Das Prinzip der Gasentladung in hohlen Kathoden, erzeugt durch einen Gleichstrom, ist zuerst von F. Paschen, Ann. Physik 50, 901-940 (1916) berichtet worden. Von dieser Zeit an ist über eine große Anzahl von Untersuchungen über diese Entladung berichtet worden; siehe zum Beispiel die Publikationen J-L. Delcroix und A. R. Trindade, Advances in Electronics and Electron Phys. 35, 87-190 (1974), M. E. Pillow, Spectrochimica, Acta 36B, no. 8, 821-843 (1981), und R. Mavrodineanu, J. Res, Nat. Bureau of Standards 89, no. 2, 143- 185 (1984). In DC-Hohlkathoden kann eine Lichtbogenentladung bei einer hohen DC- Energie erzeugt werden. Die Wand der hohlen Kathode muß bis zu hohen Temperaturen erwärmt werden, was stark eine thermische Emission von Elektronen verstärkt. Weiterhin wird ein wesentlicher Bereich von Ionen durch eine Erosion der Oberfläche der hohlen Kathode produziert. Unter diesen Bedingungen wächst der DC-Strom in dem Lichtbogenschaltkreis schnell an, während die Spannung an der Kathode auf Werte in der Größenordnung der minimalen Ionisierung oder des minimalen Anregungspotentials des Gases oder des Metalldampfs abfällt. Der Lichtbogen ist eine sich selbst erhaltende Entladung, die zum Stützen großer Ströme durch Vorsehen deren eigenen Mechanismus einer Elektronenemission von der negativen Elektrode geeignet ist (siehe "Handbook of Plasma Processing Technology" herausgegeben von S. Rossnagel et al., Noyes Publ. 1990, Kapitel 18, von D. Sanders). Bis dieser Zustand nicht erreicht ist, kann die Entladung in der hohlen Kathode nicht als ein Lichtbogen angenommen werden. Es ist eher ein normales oder anomales Glimmen, gerade wenn einige Teile der Kathodenwände heiß sind, insbesondere bei Kathoden, die aus dünnem Metallblech hergestellt sind.
Aufgrund einer hohen Produktion von Elektroden gerade in Glimmbereichen der hohlen Kathoden sind seit 1971 sowohl eine Elektronenquelle als auch die Arbeitsgasionisationsquelle in Plasmabearbeitungsvorrichtungen für eine plasma-unterstützte Anodenverdampfung verwendet worden (siehe z. B. US-Patent Nr. 3,562,141). Seit 1983 sind Glimmentladungen mittels hohler Kathoden, erzeugt durch Wechselstrom-(AC)-Generatoren, entwickelt worden. Eine typische Frequenz von AC-Generatoren für diesen Zweck liegt zwischen 100 kHz und 100 MHz. Insbesondere werden Hochfrequenz-Generatoren (HF- 1356 Mhz und deren Harmonische) oftmals in der Plasmabearbeitung verwendet (siehe z. B. C. M. Horwitz, Appl. Phys. Lett., vol. 43, 1983, Seite 977, und US-Patent Nr. 4,521,286). Eine Vielfalt von Anordnungen mit hohler Kathode ist unter Verwendung dieses Prinzips entwickelt worden. Systeme mit hohler Kathode unterscheiden sich hauptsächlich in den Anordnungen der Elektroden, dem Einströmen von Arbeitsgasen, usw.. Ein Prinzip mit hohler Kathode kann für eine Erhöhung einer plasmachemischen Verdampfungsverarbeitung in einer ebenen-parallelen Anordnung von bearbeiteten, ebenen Substraten, die auf dem Kathodenpotential liegen, verwendet werden (Europäisches Patent 0 478 984 A1). Eine hohle, zylindrische HF-Kathode wurde für eine plasmachemische Verdampfungsbearbeitung (Tschechisches Patent 246,982/ PV 4407-85) und zum Sputtern der Kathode und zum Niederschlagen von Filmen innerhalb hohler Substrate und Röhren (Tschechische Patentanmeldung PV3925-90) venrwendet. In hochfrequenz-erzeugten Hohlkathoden ist eine Anode das HF-Plasma selbst (eine virtuelle Anode), die in Kontakt mit einer realen Gegenelektrode liegt, die mit dem HF-Generator verbunden ist (Bardo%o et al., J. Non Cryst. Solids 97/08, 281 (1987)). Die mehrfach-zylindrische, hohle HF- Kathode (19 Röhren insgesamt) mit geschlossenen Bodenteilen in einem mehrkurvigen, magnetischen Feld ist als eine Ionenstrahlquelle mit einem effektiven Durchmesser von 175 mm verwendet worden; siehe C. Lejeune et al., Vacuum 36, 837 (1985) und Französische Patentanmeldung Nr. 85 06 492 (1985). Die mehrfache, hohle HF-Kathode (5 Löcher) in einer linearen Verteilung ist durch A. M. Barklund et al., J. Vac. Sci. Technol. A9, 1055 (1991) (siehe auch Tschechisches Patent 246, 982) beschrieben worden. Das lineare Feld von 64 mittels DC oder AC betriebenen, zylindrischen, hohlen Kathoden in einem axialen, magnetischen Feld, das eine ungefähr 40 cm lange, verteilte Entladung liefert, ist in neuerer Zeit von A. Belkind et al., ICM-CTF'94, poster session, San Diego 1994 beschrieben worden (wird erscheinen in Proceedings in Surface Coat. Technol. (1994)). in dieser Arbeit wurde ein axiales, magnetisches Feld mit 0,025 Tesla verwendet, um das Plasma über die Einschränkungen der hohlen Kathoden hinaus zu extrahieren. Über Effekte magnetischer Felder unterschiedlicher Induktionen ist oft in hohlen Kathoden berichtet worden; siehe z. B. Bericht von K. H. Schoenbach, zugelassener Bericht bei ICPIG 21, Bochum 1993, Proc. III, Seiten 287-296. Aufgrund eines magnetischen Einschlußeffekts werden die Felder oftmals für Niederdruckentladungsbereiche in hohlen Kathoden verwendet. Die meisten der Systeme, die vorstehend erwähnt sind, verwenden eine Glimmentladung in einer zylindrischen, hohlen Kathode. Bei einer ausreichend hohen Energie in einem Lichtbogenbereich ist die Produktion von Metallionen von der Wand der hohlen Kathode ausreichend für eine sich selbst aufrechterhaltende Entladung ohne irgendein anderes Arbeitsgas (L. Bärdo%o et al., Schwedische Patentanmeldung Nr. 9303426-2, Internationale Patentanmeldung PCT/5E9/00959). Ein Lichtbogenbereich einer hohlen Kathode in einem Gas, das eine reaktive Komponente enthält, kann für einen reaktiven Niederschlag unter sehr hoher Rate von Filmen basierend auf einer erhöhten Produktion der Kathodenmetallpartikel verwendet werden. Dieser Niederschlag kann sogar noch schneller als ein entsprechender, nicht-reaktiver Niederschlag von einem reinen Metallfilm sein (siehe H. Baränkovä et al., Proc. 10te Symp. On Plasma Processing, Electrochem. Soc. Spring Meet., San Francisco 1994, Proc. Vol. 94-20, G. S. Mathad und D. W. Hess, eds., Seiten 580-591). Die meisten der hohlen Kathodenanordnungen verwenden zylindrische Kathoden oder kleine, ebene, parallele Kathodenscheiben mit einer zylindrischen Anode dort herum. Allgemein sind die hohlen Kathodensysteme von sehr eingeschränkten Dimensionen. Dies kann ein Vorteil für eine Innenrohrplasmabearbeitung sein (H. Kawasaki et al., Mat. Sci. Engineer. A140, 682 (1991)). Ähnlich zu den gefilteren Lichtbogenentladungen sind die diskreten Lichtbogen, die durch hohle Kathoden mit kleiner Größe produziert sind, von einer begrenzten Möglichkeit einer Hochskalierung. Lineare Felder aus mehrfachen Kathoden können keine gleichförmige, lineare Entladung produzieren und sie hängen von der Funktion jeder bestimmten Entladung ab.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Entdeckungen und Nachteile des vorstehend beschriebenen Stands der Technik zu beseitigen und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für die Plasmabearbeitung zu schaffen. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für die Plasmabearbeitung, insbesondere für die Oberflächenbearbeitung massiver Substrate, installiert in einem Reaktor und bei Gasdrücken von weniger als 5 · 10&sup4; Pa, und die von einem Generator gespeist wird, der Wechselstrom und/oder Impulsenergie erzeugt, geschaffen, die aus wenigstens einem Paar einer ersten Elektrodenplatte und einer zweiten Elektrodenplatte, die einander gegenüberliegend mit einem Abstand, der größer ist als 0,4 mm, angeordnet und mit dem gleichen Pol des Generators verbunden sind, deren Gegenpol mit einer Gegenelektrode verbunden ist, einem Magnetfeld, das von Magneten erzeugt wird, um eine lineare Heißzone an der ersten Elektrodenplatte und eine lineare Heißzone an der zweiten Elektrodenplatte zu entwickeln, die eine Komponente von wenigstens 10&supmin;³ Tesla über den Spalt zwischen den Elektrodenplatten aufweist, eine ionisierte Umgebung, die ein Arbeitsgas enthält, das zwischen den Elektrodenplatten eingeschlossen ist, und wobei die ionisierte Umgebung einen elektrischen Kontakt mit den Elektrodenplatten, wo eine Lichtbogenentladung erzeugt wird, und mit der Gegenelektrode aufweist, besteht.
Nach einem zweiten Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Elektrodenplatten an einem Hauptelektrodenkörper befestigt, der mit einem Einstellsystem verbunden ist, das sowohl Einstellen des Abstands zwischen den Elektrodenplatten durch Quereinstellelemente als auch Neigen der Elektrodenplatten durch Winkeleinstellelemente ermöglicht. Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung schützt eine äußere Verkleidung eine Ausströmung des Arbeitsgases an Seitenteilen des Hauptelektrodenkörpers und des Einstellsystems, wobei das Arbeitsgas über einen Gasstromverteiler eingelassen wird, um das Arbeitsgas optimal in dem Spalt zwischen den Elektrodenplatten zu verteilen. Nach einem vierten Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Gegenelektrode durch einen Teil der Reaktorkammerwände und/oder durch einen Substrathalter mit durch die Lichtbogenentladung zu bearbeitenden Substraten gebildet.
Nach einem fünften Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung werden Positionen der Magnete in Bezug auf die Elektrodenplatten mit einer Einstelleinrichtung eingestellt und das Magnetfeld wird in der Längs- und der Querrichtung der Elektrodenplatten durch die Magnete und/oder durch zusätzliche Magnete eingestellt.
Nach einem sechsten Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung sind die erste Elektrodenplatte und/oder die zweite Elektrodenplatte mit einem zusätzlichen Seitenteil ausgestattet.
Nach einem siebten Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung sind die erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte aus verschiedenen Materialien hergestellt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend erwähnt sind, werden aus der Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden, die in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen vorgenommen wird, wobei:
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein grundsätzliches Beispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für eine Plasmabearbeitung, insbesondere für eine Oberflächenbearbeitung von massiven Substraten, darstellt;
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Beispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für eine Plasmabearbeitung, wie von Fig. 1, darstellt;
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die drei unterschiedliche Beispiele von Anordnungen der Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, zeigt, die verschiedene Paare von Elektrodenplatten aufweist, die zusammen in einem Mehrfachsystem zum Erzeugen einer mehrfachen, linearen Lichtbogenentladung zugeordnet sind, gemäß der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für eine Plasmabearbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst werden eine Elektrodenplatte 1 und eine zweite Elektrodenplatte 2 gegenüberliegend zueinander unter einem Abstand, der oberhalb von 0,4 mm liegt, plaziert. Dies ist wichtig, um einen unerwünschten, mechanischen Kontakt von heißen Oberflächen der Elektrodenplatten während eines Betriebs der Vorrichtung zu vermeiden. Beide Elektrodenplatten sind mit demselben Pol des Generators 10 einer Wechselstrom- und/oder pulsierenden Energieversorgung verbunden, die einen Gegenpol besitzt, der mit einer Gegenelektrode 3 verbunden ist. Zur Erzeugung eines nicht thermischen Plasmas sind die Elektroden in einem Reaktor unter Gasdrücken oberhalb von 5 · 10&sup4; Pa installiert. Ein magnetisches Feld, das eine Komponente von wenigstens 10³ Tesla über den Spalt zwischen den Elektrodenplatten besitzt, wird durch Magnete 4 erzeugt und zur Entwicklung einer linearen, heißen Zone 5 auf der ersten Elektrodenplatte und für eine lineare, heiße Zone 6 auf der zweiten Elektrodenplatte produziert. Diese heißen Zonen werden aufgrund eines Ionenbombardements in einer Entladung einer hohlen Kathode gebildet, die zwischen den Elektrodenplatten in einer ionisierten Umgebung 7 auftritt, die ein Arbeitsgas 8 enthält und einen elektrischen Kontakt mit den Elektrodenplatten besitzt, insbesondere mit deren Oberflächen, die zueinander hin gerichtet sind, und mit der Gegenelektrode. Diese ionisierte Umgebung stellt eine anfängliche Glimmentladung dar, die für den Start einer Lichtbogenentladung 9 in der Vorrichtung gemäß der Erfindung notwendig ist. Die heißen Zonen auf beiden Elektrodenplatten werden unter einem Energieniveau erzeugt, das von der Größe der Elektrodenplatten, von dem Gasdruck, von dem Material der Elektrodenplatten, usw., abhängt. Heiße Zonen werden in ausgewählten Bereichen erzeugt, wo ein wesentlicher Teil des Ionenstroms durch das magnetische Feld fokussiert wird. Verluste von Elektronen, die zwischen rückstoßenden Potentialen an gegenüberliegenden Platten schwingen, können auch durch die magnetische Einschränkung reduziert werden, was eine erhöhte, lokale Ionisierung bewirken kann. Die heißen Zonen erhöhen auch eine thermionische Elektronenemission von den Eiektrodenplatten und ermöglichen einen Start der linearen Lichtbogenentladung. Der Start des Lichtbogens schreitet bei einer bestimmten Schwellwertenergie von dem anfänglichen Glimmen der hohlen Kathode und ohne externe Zündungsmechanismen fort. Die lineare Gleichförmigkeit der Lichtbogenentladung hängt von einer gleichförmigen Temperatur entlang der heißen Zone an den Elektrodenplatten ab, was von der Wärmeleitfähigkeit des Plattenmaterials abhängt, und sie kann durch das magnetische Feld ausbalanciert werden.

BEISPIELE

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine schematische Ansicht eines Beispiels einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für eine Plasmabearbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Elektrodenplatten sind auf dem Hauptelektrodenkörper 11, verbunden mit einem Abstimmsystem 12, befestigt, das sowohl eine Abstimmung bzw. Einstellung eines Abstands zwischen den Elektrodenplatten durch Einstellelemente 13 als auch eine Neigung der Elektrodenplatten durch winkelmäßige Einstellelemente 14 ermöglicht. Ein Einstellen des Abstands zwischen den Platten ermöglicht eine Optimierung der linearen Lichtbogenentladung 9 bei unterschiedlichen Parametern, z. B. Gasdruck, Energie, Material der Elektrodenplatten, magnetische Induktion, Geometrie des Substrats, usw.. Ein Einstellen der winkelmäßigen Positionen der Elektrodenplatten kann eventuelle, thermische Deformationen der Elektrodenplatten aufgrund der heißen Zonen kompensieren. Zum Beispiel übersteigt die typische Temperatur in heißen Zonen von Elektrodenplatten aus Ti 1350ºC. Um eine hohe Temperatur in den heißen Zonen zu erhalten, sind die Elektrodenplatten nicht mit irgendeiner vorgesehen Kühlung versehen. Die Elektrodenplattenkühiung durch Wärmeleitung über einen mechanischen Kontakt mit dem Hauptefektrodenkörper hängt von dem Plattenmaterial und seinen linearen Dimensionen ab. Ein Beispiel von Dimensionen, die sich auf eine Länge L der Elektrodenplatte bezieht, ist: L/15 ≤ Breite (Höhe) ≤ L und L1200 ≤ Dicke < < L. Eine äußere Verkleidung 15 wird dazu verwendet, ein Ausströmen des Arbeitsgases an Seitenteilen sowohl des Hauptelektrodenkörpers als auch des Einstellsystems zu schützen. In Abhängigkeit von dem Aufbau und den Materialien, die verwendet sind, kann eine externe Kühlung bei der äußeren Verkleidung, oder dem Hauptelektrodenkörper, oder dem Einstellsystem, oder bei allen diesen Teilen, angewandt werden. Es ist auch notwendig, eine Kühlung der Magnete vorzusehen, um deren Entmagnetisierung in dem Fall zu vermeiden, daß Permanentmagnete verwendet werden. Das Arbeitsgas wird über einen Gasströmungsverteiler 16 eingelassen, der eine optimale Verteilung des Gases in dem Spalt zwischen den Elektrodenplatten schafft. Die Gegenelektrode 3 in dem Beispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist, wird durch ein Substrat gebildet, das durch die Lichtbogenentladung bearbeitet werden soll. Sowohl Positionen als auch eine magnetische Induktion der Magnete beeinflussen die Stelle und die Temperatur der heißen Zonen an den Elektrodenplatten, um dadurch Bedingungen für die lineare Lichtbogenentladung zu beeinflussen. Positionen der Magnete werden in Bezug auf die Elektrodenplatten durch eine Abstimm- bzw. Einstelleinrichtung 17 eingestellt und eine Verteilung des magnetischen Felds wird durch eine geeignete Auswahl der Induktionswerte der Magnete 4 und durch zusätzliche Magnete 18 eingestellt. Zusätzliche Magnete können das magnetische Feld "öffnen", um dadurch die Extraktion von Plasma von dem Spalt zwischen den Elektrodenplatten zu dem Substrat hin zu verstärken. Um eine Inhomogenität von Parametern der linearen Lichtbogenentladung an beiden Enden der Elektrodenplatten zu unterdrücken, wird die erste Elektrodenplatte und/oder eine zweite Elektrodenplatte mit einem zusätzlichen Seitenteil (19) ausgestattet werden. Diese Inhomogenität kann auch durch eine geeignete Formung des magnetischen Felds an beiden Enden der Elektrodenplatten reduziert werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung der Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für eine Plasmabearbeitung in drei unterschiedlichen Beispielen von Anordnungen verschiedener Paare der Elektrodenplatten, die in einem Mehrfachsystem zum Erzeugen einer mehrfachen, linearen Lichtbogenentladung zusammengebaut sind, gemäß der vorliegenden Erfindung, beschrieben.
Fig. 3(a) beschreibt eine schematische Schnittansicht von drei Paaren der ersten Elektrodenplatte 1 und der zweiten Elektrodenplatte 2, die Seite an Seite in den unabhängigen Magnetfeldern, erzeugt durch Magnete 4 und durch zusätzliche Magnete 18, angeordnet sind. Die ionisierte Umgebung 5, z. B. ein HF-Plasma, wird durch jedes Paar Elektrodenplatten gemeinsam geteilt. Die Gegenelektrode 3, z. B. das bearbeitete Substrat, ist auch für alle drei Systeme gemeinsam, was eine Erhöhung der Verarbeitungsrate ermöglicht. Das Arbeitsgas 8 kann für alle drei Systeme identisch sein, allerdings können unterschiedliche Gase in jedem bestimmten System verwendet werden. Dann können die linearen, heißen Zonen 5 und 6 entsprechend der jeweiligen Elektrodenplatten 1 und 2 sowohl eine unterschiedliche Form als auch eine unterschiedliche Temperatur in jeweiligen Teilen des zusammengebauten Systems zeigen. Dies bewirkt unterschiedliche Eigenschaften einer linearen Lichtbogenentladung 9, erzeugt in dem jeweiligen System, was für ausgewählte Anwendungen wünschenswert sein könnte. Weiterhin können individuelle Paare von Elektrodenplatten dadurch energiemäßig versorgt werden, daß eine elektrische Hilfsspannung relativ zueinander vorgesehen wird. In diesem Fall können sowohl die Geometrie als auch die Plasmaparameter für jeweilige, lineare Lichtbogenentladungen 9 beeinflußt werden.
Fig. 3(b) beschreibt eine schematische Schnittansicht von drei Paaren der ersten Elektrodenplatte 1 und der zweiten Elektrodenplatte 2, angeordnet Seite an Seite, wie in Fig. 3(a), wobei allerdings die zweite Elektrodenplatte eines vohergehenden Paars Elektrodenplatten identisch zu der ersten Elektrodenplatte in dem nachfolgenden Paar von Platten ist. In dieser Anordnung wird das magnetische Feld, das durch die Magnete 4 erzeugt ist, durch alle Systeme gemeinsam geteilt. Parameter der heißen Zonen 5 und 6 an individuellen Elektrodenplatten, die durch benachbarte Systeme gemeinsam geteilt sind, unterscheiden sich von solchen an den äußeren Seiten der Anordnung. Eine erhöhte Temperatur linearer, heißer Zonen in inneren Platten kann bevorzugt in einem Fall von Materialien mit hoher Schmelztemperatur in einem System mit unterschiedlichen Materialien der Elektrodenplatten verwendet werden.
Fig. 3(c) beschreibt eine schematische Schnittansicht von zwei Paaren von Elektrodenplatten, die in einem Hauptelektrodenkörper 11 angeordnet sind. In dieser Anordnung ist der Spalt zwischen der ersten Elektrodenplatte 1 und der zweiten Elektrodenplatte 2 an einer Bodenseite geschlossen und das Arbeitsgas 8 wird in den Spalt von der ionisierten Umgebung 7 eingelassen. In diesem Fall können die Elektrodenplatten in einem hohlen Target, zum Beispiel einer zylindrischen oder Laufspur-Form, geformt werden, und sie können in einer Geometrie ähnlich zu ebenen Magnetrons installiert werden. Das Arbeitsgas kann auch von der Bodenseite unter Verwendung von Kanälen, die in dem Hauptelektrodenkörper 11 installiert sind, eingelassen werden.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine kontinuierliche Zufuhr des Materials, das von den Elektrodenplatten verbraucht ist, für die Plasmabearbeitung durch Änderungen einer relativen Position der Elektrodenplatten in Bezug auf eine Position von linearen, heißen Zonen und der Gegenelektrode.
Eine lineare Lichtbogenentladung in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch durch DC- anstelle von AC-Energie erzeugt werden. Allerdings kann die DC- Erzeugung von einem eingeschränkten Nutzen in dem Fall eines Niederschlagens dielektrischer Filme sein. Bei der DC-Erzeugung muß die entsprechende Anode in enger Nähe der Kathode angeordnet werden. Bei einer AC-Erzeugung kann die Rolle der Anode durch das AC-Plasma selbst erfüllt werden.
Eine lineare Lichtbogenentladung in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch bei Gasdrücken erzeugt werden, die 5 · 10&sup4; Pa übersteigen. Allerdings ist die Plasmabearbeitung bei hohen Drücken durch sehr kurze, mittlere freie Weglängen von Ionenelektronen eingeschränkt und eine Beibehaltung einer gleichförmigen, linearen Entladung ist komplizierter.
In der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine hohe Oberflächentemperatur linearer, heißer Zonen an den Elektrodenplatten, die zur Aufrechterhaltung der linearen Lichtbogenentladung verwendet sind, Lichtbogenbereiche mit einer reduzierten Bildung von Tröpfchen von dem Kathodenmaterial in den niedergeschlagenen Filmen ermöglichen.
In der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können die Elektrodenplatten in Bereiche unterteilt werden oder zu unterschiedlichen, nicht ebenen Profilen geformt werden. Individuelle Platten können auch aus unterschiedlichen Materialien zusammengebaut werden. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch für eine Plasmabearbeitung in einem gewöhnlichen, hohlen Kathodenbereich ohne die lineare Lichtbogenentladung verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Lichtbogenentladung für die Plasmabearbeitung, insbesondere für die Oberflächenbearbeitung massiver Substrate, die eine lineare hohle Katode umfaßt und in einem Reaktor unter Gasdrücken von weniger als 5 · 10&sup4; Ps installiert ist und die von einer Einrichtung gespeist wird, die Wechselstrom und/oder Impulsenergie (10) erzeugt, gekennzeichnet durch wenigstens ein Paar aus einer ersten Elektrodenplatte (1) und einer zweiten Elektrodenplatte (2), die einander gegenüberliegend mit einem Abstand, der größer ist als 0,4 mm, angeordnet und mit dem gleichen Pol der Erzeugungseinrichtung verbunden sind, deren Gegenpol mit einer Gegenelektrode (3) verbunden ist;

ein Magnetfeld, das von Magneten (4) erzeugt wird, um eine lineare Heißzone (5) an der ersten Elektrodenplatte und eine lineare Heißzone (6) an der zweiten Elektrodenplatte zu entwickeln, die eine Komponente von wenigstens 103 Tesla über den Spalt zwischen den Elektrodenplatten aufweist;

eine ionisierte Umgebung (7), die ein Arbeitsgas (8) enthält, das zwischen den Elektrodenplatten eingeschlossen ist, wobei die ionisierte Umgebung einen elektrischen Kontakt mit den Elektrodenplatten, an dem eine Lichtbogenentladung (9) erzeugt wird, und mit der Gegenelektrode aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten an einem Hauptelektrodenkörper (11) befestigt sind, der mit einem Einstellsystem (12) verbunden ist, das sowohl Einstellen des Abstandes zwischen den Elektrodenplatten durch Quereinstellelemente (13) als auch Neigen der Elektrodenplatten durch Winkeleinstellelemente (14) ermöglicht.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine äußere Verkleidung (15), die einen Ausstrom des Arbeitsgases an Seitenteilen des Hauptelektrodenkörpers und des Abstimmsystems schützt, wobei das Arbeitsgas über einen Gasstromverteiler (16) eingelassen wird, um das Arbeitsgas optimal in dem Spalt zwischen den Elektrodenplatten zu verteilen.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode durch einen Teil einer Reaktorkammerwand und/oder durch einen Substrathalter mit durch die Lichtbogenentladung zu bearbeitenden Substraten gebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Positionen der Magnete in bezug auf die Elektrodenplatten mit einer Einstelleinrichtung (17) eingestellt werden und das Magnetfeld in der Längs- und der Querrichtung der Elektrodenplatten durch die Magnete und/oder durch zusätzliche Magnete (18) eingestellt wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrodenplatte und/oder die zweite Elektrodenplatte mit einem zusätzlichen Seitenteil (19) ausgestattet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte aus verschiedenen Materialien bestehen.