DE4127505A1

DE4127505A1 - Einrichtung zur unterdrueckung von lichtboegen

Info

Publication number: DE4127505A1
Application number: DE19914127505
Authority: DE
Inventors: Johannn Stuermer; Goetz Dipl Ing Teschner
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1991-08-20
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: DE4127505C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenunterdrückungsschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Gasentladungstechnik ist es erforderlich, ein Gas in einen Plasmazustand zu bringen, ohne daß es zu Bogenentladungen kommt. Beispielsweise dürfen bei der Glasbeschichtung, wo SiO₂ durch Sputtern auf ein Trägermaterial, ein sogenanntes Substrat, aufgebracht wird, keine Überschläge stattfinden, weil sonst sowohl das Target als auch das Substrat zerstört werden. Wegen der zahlreichen physikalischen Ursachen, die zu einer Bogenentladung führen können, ist es extrem schwierig, die Bogenentladung als solche zu verhindern. Es ist jedoch möglich, die Ausbildung einer Bogenentladung mit hoher Stromstärke zu unterdrücken.

Besondere Probleme treten bei Sputteranlagen auf, die zwei Kathoden aufweisen und mit Wechselstrom versorgt werden. Bei diesen Anlagen wechseln die Polaritäten an den Kathoden bzw. Anoden ständig. Ist für zwei Kathoden nur eine Anode vorgesehen, so springen eventuell Bogenentladungen fortwährend von einer Kathode auf die andere.

Wie nähere Untersuchungen der Bogenentladungen ergeben haben, führen nicht alle Entladungen zum sofortigen Zusammenbrechen des Isolationsvermögens. Es treten vielmehr auch Spannungsverläufe auf, bei denen erst einige Millisekunden nach einem ersten Rückgang der Spannung auf 150 bis 300 V der Zusammenbruch auf die Lichtbogenbremsspannung erfolgt. Diese in Stufen sich herausbildenden Spannungszusammenbrüche werden von einfachen Schwingkreisen nicht erkannt, die üblicherweise zum Löschen eingesetzt werden. Wegen ihrer langen Brenndauer und ihres damit verbundenen hohen Energieinhalts führen die mehrstufigen Lichtbögen schnell zur Zerstörung der Targetoberfläche.

Bei einem bekannten Kathoden-Lichtbogenbeschichtungsverfahren, bei dem ein Lichtbogen auf ein Target trifft und dort geladene Teilchen herausschlägt, die auf ein Substrat gelangen, sinkt die Impedanz zwischen den Elektroden, zwischen denen der Lichtbogen auftritt, sehr stark ab. Um diese Impedanz am Ende eines Bearbeitungsvorgangs wieder zu erhöhen, ist es bekannt, die aus dem Target herausgeschlagenen Teilchen verstärkt in Richtung Substrat durch ein entsprechendes elektrisches Potential abzusaugen (US-PS 49 36 960). Nachteilig ist indessen bei diesem bekannten Verfahren, daß es nur bei der Lichtbogenbeschichtung sowie bei Gleichstrom zwischen den Lichtbogenelektroden einerseits und dem Target bzw. Substrat andererseits anwendbar ist. Auch für eine Anordnung mit zwei Elektroden ist das bekannte Verfahren zur Impedanzerhöhung und damit zur Löschung eines Lichtbogens nicht geeignet. Die übliche Methode, Lichtbogenbildung zu unterbinden, besteht deshalb darin, die Stromversorgung für eine bestimmte Zeit abzuschalten.

Weiterhin ist es bekannt, beim Auftreten einer Bogenentladung einer Anlage die geringstmögliche Energie zuzuführen bzw. die Energiezufuhr ganz zu unterbinden. Dabei soll die Energiezufuhr so lange unterbunden bleiben, bis sich die gesamte Zone um die Bogenentladung herum stabilisiert hat (D. S. Schatz, The MDX as a Strategic Tool in Reducing Arcing, Schrift der Advanced Energy Industries, Inc., 1985). Eine weitere bekannte Maßnahme, um die Wahrscheinlichkeit der Lichtbogenbildung zu verringern, besteht darin, die Welligkeit der Energiezufuhr zu vermindern, und zwar über den gesamten Impedanzbereich. Auch die Verwendung schneller Regeleinrichtungen wurde vorgeschlagen, um die Abweichungen der Versorgungsspannung vom Soll-Wert schnell anzugleichen (D. S. Schatz, a. a. O.). Zur Löschung von Lichtbögen wird eine Umschwingschaltung vorgeschlagen, wie sie in der Thyristortechnik üblich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung zum Löschen von Lichtbögen in Plasma-Vorrichtungen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch beim Sputtern von schwierigen Materialien, z. B. von SiO₂, hohe Beschichtungsraten möglich sind, weil der Sputtervorgang nur für sehr kurze Zeit unterbrochen wird. Beim SiO₂-Sputtern werden aus einem Target aus Reinst-Silizium, das sich in einer Argon-Sauerstoff-Atmosphäre von 10^-3 bis 10^-1 mbar befindet, durch Ionen Si-Atome herausgeschlagen, die sich mit Sauerstoff zu SiO₂ verbinden, das sich auf einem Substrat niederschlägt.

Die Erfindung kann vorzugsweise bei Plasma-Anlagen eingesetzt werden, die mit Wechselstrom betrieben werden. Sie ist jedoch auch bei Anlagen einsetzbar, die nur eine Kathode aufweisen und mit Gleichstrom betrieben werden. Der Kathode liegt in einem solchen Fall eine separate Anode oder eine als Anode dienende Kesselwand gegenüber.

Auch eine Anwendung der Erfindung auf Dreiphasen-Wechselstrombetrieb ist möglich, wenn sechs elektronische Schalter mit einer separaten Zündelektronik vorgesehen sind.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die Augenblicksspannung mit einer Kondensatorspannung verglichen wird und durch die Anordnung eines Zündkreises gesichert ist, so daß stets der richtige elektronische Schalter geschlossen bzw. geöffnet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Sputteranlage mit einer Thyristoranordnung zum Abschalten einer Energieversorgung;

Fig. 2 eine Abschaltanordnung mit Feldeffekt-Transistorschalter;

Fig. 3 eine Abschaltanordnung mit GTO- oder Abschaltthyristoren.

In der Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 1 dargestellt, die einen Stutzen 2 zum Evakuieren der Kammer und einen Stutzen 3 für die Zufuhr von Gasen aufweist. In der Kammer 1 befindet sich ein Substrathalter 4, auf dem ein Substrat 5 angeordnet ist. Das Substrat 5 besteht beispielsweise aus Glas oder ist eine Kunststoffolie bzw. ein Silizium-Wafer aus der Mikroelektronikfertigung. Oberhalb des Substrats 5 und nebeneinander sind zwei Elektroden 6, 7 vorgesehen, die jeweils ein Target 8, 9 tragen. Beispielsweise bestehen diese Targets aus Reinst-Silizium in poly- oder einkristalliner Form. Es sind auch andere und jeweils verschiedene Materialien für die beiden Targets 8, 9 denkbar. Beide Elektroden 6, 7 werden aus einer Wechselstromquelle 10 versorgt, wobei sich zwischen dieser Wechselstromquelle 10 und den Elektroden 6, 7 eine spezielle Schaltungsanordnung 11 befindet. Diese Schaltungsanordnung weist einen mit der Wechselstromquelle 10 verbundenen Transformator 12 auf, zu dessen Sekundärwicklung eine aus einem Kondensator 13 und einer Spule 14 bestehende Serienschaltung parallel geschaltet ist. Parallel zu dieser Serienschaltung liegt ein Thyristor 15, der mit seiner Kathode mit der Spule 14 und mit seiner Anode mit dem Kondensator 13 in Verbindung steht. Die Steuerelektrode dieses Thyristors 15 ist mit der Kathode einer Diode 16 verbunden, deren Anode mit einem Anschluß einer Primärwicklung 17 eines Transformators 18 gekoppelt ist, dessen Sekundärwicklung 19 Teil einer Serienschaltung ist, die noch einen Kondensator 20 und eine Primärwicklung 21 eines weiteren Transformators 22 aufweist. Die Sekundärwicklung 23 dieses weiteren Transformators 22 ist einerseits mit der Primärwicklung 21 und dem Kondensator 13 und andererseits mit der Anode einer Diode 24 verbunden. Die Kathode dieser Diode 24 liegt an der Steuerelektrode eines Thyristors 25, dessen Kathode mit der Elektrode 6 und dessen Anode mit der Elektrode 7 verbunden ist.

Eine Bogenentladung, bei der eine Brennspannung zwischen dem geerdeten Substraträger 4 und den Elektroden 6, 7 von 20 Volt und ein über alle Grenzen ansteigender Strom auftritt, wird durch die Schaltungsanordnung 11 im wesentlichen dadurch vermieden, daß dieser ansteigende Strom durch die Thyristoren 15 und 25 von der Gasentladung abgetrennt wird und daß durch das Zünden eines Thyristors 15, 25 der Löschschwingkreis, bestehend aus der Spule 14 und dem Kondensator 13, sicher zum Umschwingen und damit zur Stromlöschung angeregt wird. Da die Brennspannung der Thyristoren unter 2 Volt liegt, ist eine sichere Ableitung des Stroms gewährleistet.

Die Bogenentladung besteht aus einem Lichtbogen zwischen definierter Kathode 6 oder 7 und Anode 4, wobei der Strom des Lichtbogens zuerst durch den äußeren Kreis 11 begrenzt wird. In der Anfangszeit eines Lichtbogens entsteht ein heißer Fleck (= "hot spot") auf dem Target 8, 9 mit einem diffusen Ende im Plasma. Je früher man diese heißen Flecke an einem Spannungsrückgang erkennt, desto geringer ist die hineingeflossene Energie und damit die Wahrscheinlichkeit, daß eine Zerstörung durch Lichtbogenbildung auftritt.

Der Substratträger 4 hat keine galvanische Verbindung zum Sputterstromkreis. Es ist für das Funktionsprinzip der Erfindung unerheblich, ob der Substratträger 4 an das Gehäuse 1 angeschlossen ist oder nicht, d. h. ob er auf das Schutzleiterpotential gelegt wurde oder ob er sich durch die Ankopplung an das Plasma auf ein wechselndes Potential ("floating potential") einstellt. Üblicherweise wird beim SiO₂-Sputtern eine direkte elektrische Verbindung des Sputterstromkreises mit einem Schutzleiter vermieden. Die Lichtbögen zwischen den Elektroden 6 und 7 und dem Substratträger 4 sind dadurch nur über Umwege möglich und entsprechend energiearm.

Bei Wechselstrombetrieb, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, besteht indessen eine Schwierigkeit darin, daß die Polarität der Elektroden 6, 7 nach jeder Halbwelle der anliegenden Wechselspannung wechselt. Deshalb muß zur Lichtbogenlöschung der jeweils richtig gepolte Thyristor der beiden antiparallel geschalteten Thyristoren 15, 25 gezündet werden. Dies geschieht dadurch, daß der Spannungszusammenbruch über dem Kondensator 20 differenziert wird und in den beiden Transformatoren 18, 22 in einen Zündimpuls für die beiden Thyristoren 15, 25 umgewandelt wird. Die Dioden 16 und 24 sorgen im Zusammenwirken mit den Thyristoren 15, 25 dafür, daß nur ein positiver Impuls denjenigen Thyristor zünden kann, der im Augenblick des Spannungszusammenbruchs eine positive Anodenspannung hat. Die Löschung der gezündeten Thyristoren 15, 25 erfolgt je nach Zündzeitpunkt entweder durch den Nulldurchgang der Wechselspannung oder dadurch, daß eine in der Thyristortechnik bekannte Zwangskommutierungs-Schaltung, bestehend aus der Spule 14 und dem Kondensator 13, durch das Zünden eines Thyristors 15, 25 zum Umschwingen angestoßen wird.

In der Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung zum Unterdrücken von Lichtbögen dargestellt, die anstelle von Thyristoren Feldeffekttransistoren als Schaltelemente aufweist.

Mit 26 und 27 ist jeweils eine du/dt-Triggerschaltung bezeichnet, die an der Sekundärwicklung des Transformators 12 liegt. Diese Triggerschaltung 26, 27 steuern jeweils eine Impulsformerstufe 28, 29 an, die pro Lichtbogen einen Einzelimpuls abgibt. Die Impulse werden über jeweils einen Anpassungs- und Potentialtrennverstärker 30, 31 auf die Steuerelektroden von Leistungs-Feldeffekttransistoren 32, 33 gegeben, die zwischen den beiden Elektroden 6, 7 liegen und mit jeweils einer Elektrode 6 bzw. 7 über eine Diode 34 bzw. 35 verbunden sind. Hierbei sind die beiden Dioden 34, 35, die einen Inversbetrieb der Transistoren 32, 33 verhindern, antiparallel geschaltet, wobei die Anode der Diode 35 an der Elektrode 7 und die Anode der Diode 34 an der Elektrode 6 liegt.

Die Triggerschaltungen 26, 27 weisen jeweils einen Operationsverstärker 36, 37, eine Diode 38, 39, einen Kondensator 40, 41 und vier Widerstände 42 bis 45 bzw. 46 bis 49 auf. Die Dioden sind mit ihren Anoden an die Sekundärseite des Transformators 12 und mit ihren Kathoden an die Verstärker 36, 37 angeschlossen.

In der Fig. 3 ist eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, bei welcher GTO-Thyristoren als Schaltelemente verwendet sind.

Die Ansteuerschaltungen für die Steuerelektroden 50, 51 der GTO-Thyristoren 52, 53 sind ähnlich aufgebaut wie die Ansteuerschaltungen für die Steuerelektrode der Feldeffekttransistoren 32, 33 gemäß Fig. 2. Sie weisen ebenfalls Triggerschaltungen 26, 27 auf, die allerdings ihre Spannungsimpulse an Impulsformerstufen 54, 55 geben, welche zwei Impulse erzeugen, von denen der eine negative und der darauffolgende Impuls positive Polarität besitzt. Diese beiden Impulse dienen zum Zünden und Löschen der GTO-Thyristoren 52, 53. Zwischen den Impulsformerstufen 54, 55 und den Steuerelektroden 50, 51 der GTO-Thyristoren 52, 53 sind Anpassungs- und Trennverstärker 56, 57 vorgesehen.

Claims

1. Einrichtung zur Unterdrückung von Lichtbögen bei Gasentladungsvorrichtungen, mit wenigstens einer Elektrode und einer Spannungsquelle, gekennzeichnet durch

1.1 zwei Elektroden (6, 7), die an der Spannungsquelle (10) liegen,
1.2 eine Schaltungsanordnung (11) mit
- 1.2.1 einem in eine erste Stromrichtung kurzschließbaren Parallelzweig (15) zur Spannungsquelle (10) und
- 1.2.2 einem in eine zweite Stromrichtung kurzschließbaren Parallelzweig (25) zur Spannungsquelle (10).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle (10) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (6, 7) einer dritten Elektrode (4) gegenüberliegen und sich zwischen den beiden Elektroden (6, 7) und der dritten Elektrode (4) ein Plasma ausbildet.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (20) zum Erkennen von Bogenentladungen vorgesehen ist, welche einen der beiden Parallelzweige (15, 25) entsprechend der jeweiligen Polarität der gerade anstehenden Wechselstrom-Halbwelle durchschaltet.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den kurzschließbaren Parallelzweigen steuerbare Halbleiterbauelemente (15, 25) vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterbauelemente Thyristoren (15, 25) sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erkennen von Bogenentladungen ein Kondensator (20) ist, der in einem Parallelzweig zu den Elektroden (6, 7) liegt.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Kondensator (20) jeweils eine Wicklung (19, 21) von Transformatoren (18, 22) liegt, deren jeweils andere Wicklung (17 bzw. 23) mit einer Steuerelektrode eines der beiden Thyristoren (15, 25) in Verbindung steht.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den beiden Thyristoren (15, 25) eine Zwangskommutierungsschaltung vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskommutierungsschaltung in an sich bekannter Weise aus einer Serienschaltung eines Kondensators (13) und einer Spule (14) besteht.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerelektrode eines Thyristors (15, 25) und einer Wicklung (17, 23) eines Transformators (18, 22) eine Diode (16, 24) geschaltet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiter Transistoren (33, 34) sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiter GTO-Thyristoren (52, 53) sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungsvorrichtung eine Sputteranlage ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erkennen von Bogenentladungen eine Triggerschaltung (26, 27) ist, die an der Stromversorgung (12) liegt und die Impulse zum Steuern von elektrischen Schaltern (32, 33) abgibt.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse monopolar sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse bipolar sind.