DE4446297A1 - Heizanordnung, Vakuumprozeßkammer mit einer solchen und Betrieb einer derartigen Vakuumprozeßkammer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizanordnung für eine Prozeßkammer mit einem transformatorischen Heizstrom- Überträger, mittels welchem, senkundärseitig, ein Heizstrom in einem Heizstromkreis erzeugt wird, sowie eine Vakuumprozeßkammer mit einer derartigen Heizanordnung und ein Betriebsverfahren für eine derartige, als Plasmaprozeßkammer ausgebildete Vakuumprozeßkammer.

Es ist bekannt, in Vakuumprozeßkammern, beispielsweise für PVD-, CVD- oder PECVD-Verfahren, oder auch in nicht unter Vakuumbedingungen betriebenen Prozeßkammern, wie beispielsweise für thermisches CVD, Widerstands-Heizanordnungen vorzusehen.

Ausgesprochen kritisch ist das Vorsehen derartiger Widerstands- Heizanordnungen an Plasmaprozeßkammern, weil durch Heizströme bewirkte Magnetfelder den beabsichtigten Plasmaprozeß empfindlich stören können.

Im weiteren ist es bekannt, daß bei Plasmaprozessen das Einkoppeln von elektrischen Potentialen in die Prozeßkammer oft wohl erwünscht ist, jedoch gezielt zur Erzeugung der Plasmaentladung oder zur Beeinflussung des Plasmabehandlungsprozesses vorgenommen wird und damit keinesfalls abhängig von einer beabsichtigten Heizleistung sein soll.

Deshalb ist es bekannt, gerade bei solchen Prozessen einen Heizstrom galvanisch getrennt über die Sekundärseite eines transformatorischen Überträgers an eine kammerseitige Heizelektrode, woran Wärme nach dem joulschen Prinzip erzeugt wird, anzulegen, womit aber Wechselstrombetrieb der Heizanordnung erforderlich ist. Dies wiederum kann aufgrund der resultierenden Magnetfelder, wie oben erwähnt wurde, den Plasmabehandlungsprozeß empfindlich stören.

Oft ist es auch erwünscht, an einer Plasmaprozeßkammer direkt eine die Plasmaentladung bewirkende Elektrode zu beheizen, so daß eine solche als Heiz- und Entladungselektrode wirkende Anordnung sowohl mit einem Heizstrom wie auch mit Entladungsbetriebspotential zu beaufschlagen ist. Dabei sollen beide Größen unabhängig voneinander sein, der Heizstrom keine störenden Magnetfelder im Prozeßraum bewirken und ein Heizstromsteller nicht auf Entladungsbetriebspotential gelegt sein. Die potentialmäßige Entkopplung eines Heizstromstellers ist insbesondere beim Plasmaentladungsbetrieb mit Hochfrequenz problematisch.

Eine Anordnung bzw. ein Plasmabehandlungsprozeß, bei dem Beheizen einer der Entladungselektroden höchst wünschbar ist, ist in der EP-A 0 533 044, entsprechend der US-A-5 298 290 dargestellt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heizanordnung eingangs genannter Art zu schaffen, d. h. mit einem transformatorischen Übertrager, womit gewährleistet bleiben soll, daß ein Stellglied für die Heizleistung auf beliebig wählbares Potential gelegt werden kann, insbesondere auf Massepotential. Dabei soll aber auch die Heizanordnung so ausgelegt sein, daß sie in der Prozeßkammer praktisch kein Magnetfeld erzeugt, wobei dies konstruktiv möglichst einfach und kostengünstig realisiert werden soll.

Dies wird durch Ausbildung der Heizanordnung eingangs genannter Art nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erreicht.

Dadurch, daß die Heizelektrode eine geschlaufte Heizstromführung umfaßt, kompensieren sich die Magnetfelder der gegensinnig durchlaufenden Heizströme in der Umgebung der Heizelektrode.

In konstruktiv höchst einfacher Art und Weise wird dabei die Heizstromschlaufung mittels mindestens einer koaxialen Leiteranordnung realisiert, woran, den Stromanschlüssen gegenüberliegend, koaxiale Leiteranordnungen miteinander verbunden, vorzugsweise kurzgeschlossen sind. Dies wird in einer besonders einfachen Variante durch mindestens zwei koaxiale Metallrohre realisiert, die endständig verbunden, beispielsweise verschweißt sind und die vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehen.

Eine solche Heizanordnung wird überall dort bevorzugterweise eingesetzt, wo in der Prozeßkammer die Erzeugung von Magnetfeldern, welche heizleistungsabhängig sind, vermieden werden soll.

In einer weiteren bevorzugten Realisationsform der Erfindung, bei der die Heizelektrode gleichzeitig Prozeßelektrode für eine elektrodengestützten Prozeß in der Prozeßkammer ist, d. h. beispielsweise Elektrode für eine Plasmaentladung oder Trägerelektrode für Werkstücke, welche, zur Beeinflussung des Werkstück-Behandlungsprozesses gezielt auf ein elektrisches DC-, DC+AC- oder AC-Potential soll gelegt werden können, wird der ganze Heizstromkreis mittels einer Prozeßelektroden- Betriebsquelle auf deren elektrisches Potential gehoben. Dabei wird die Betriebsquelle einerseits und eine kapazitive Abschirmung zwischen Primär- und Sekundärseite des transformatorischen Übertragers andererseits auf ein Bezugspotential, vorzugsweise auf Massepotential, gelegt. Mit Hilfe der Abschirmung wird somit verhindert, daß das Prozeßbetriebspotential kapazitiv auf die Primärseite des transformatorischen Übertragers gekoppelt wird, was insbesondere dann wesentlich ist, wenn das Betriebspotential der Betriebsquelle AC-Anteile hat, dabei insbesondere ein hochfrequentes oder hochfrequente Spektralanteile umfassendes Potential ist.

Es wird weiter in höchst einfacher Art und Weise die Sekundärwicklung des transformatorischen Übertragers mittels eines Koaxialkabels ausgeführt, woran mindestens ein außengelegener Koaxialleiter als kapazitive Abschirmung geschaltet ist, d. h. auf das Bezugspotential gelegt ist, durch entsprechendes Verbinden an einem Punkt.

Damit wird ermöglicht, als Betriebsquelle für die gleichzeitig als Prozeß- und Heizelektrode wirkende Elektrode eine AC- oder AC+DC-, insbesondere eine Hochfrequenzquelle in obengenanntem Sinne einzusetzen. Dabei bleibt sichergestellt, daß die Beheizung durch ein Stellglied, primärseitig des transformatorischen Übertragers und auf beliebig wählbarem Potential liegend, insbesondere auf Massepotential, einfach steuerbar ist. Dabei kann die als Prozeßelektrode wirkende Heizelektrode mit AC, AC+DC, dabei insbesondere mit Hochfrequenz und, wie beispielsweise für Plasmaentladungen, auf Hochspannung betrieben werden.

Damit wird eine Heizanordnung geschaffen, die eine Beheizung einer Prozeßkammer ermöglicht, ohne daß ein Heizmedium zugeführt werden müßte. Der Aufwand für elektrische Entkopplungsfilter fällt im wesentlichen weg, und es sind keine Heizstrahler in der Prozeßkammer erforderlich. Wird die Heizelektrode als Prozeßelektrode mit AC, AC+DC, insbesondere mit Hochfrequenz oder Hochfrequenzanteilen betrieben, wie insbesondere zur Erzeugung einer HF-Plasmaentladung in der Prozeßkammer, so werden Streukapazitäten, insbesondere zwischen Sekundärwicklung des transformatorischen Übertragers und der dort vorgesehenen Abschirmung, am bekannten, für diesen Betrieb von Prozeßelektroden vorzusehenden Anpaßnetzwerk berücksichtigt.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Heizanordnung zur Verhinderung der Magnetfelderzeugung im Bereich einer Heizelektrode;

Fig. 2 schematisch eine besonders einfache Realisationsform der Heizanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ausgehend von der Darstellung der Heizanordnung nach Fig. 2, das Vorsehen einer elektrischen Betriebsquelle zum Betrieb der Heizelektrode als elektrisch gespiesene Prozeßelektrode für einen Prozeß in einer Prozeßkammer;

Fig. 4 ausgehend von der Heizanordnung nach Fig. 3, eine besonders einfache Realisation insbesondere der sekundärseitigen Abschirmung;

Fig. 5 schematisch eine bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Heizanordnung für einen Hochfrequenz- Plasmaentladungsprozeß, wie er beispielsweise als Plasmapolymerisationsprozeß in der EP-A-0 533 044 beschrieben ist;

Fig. 6 das Ersatzbild der Anordnung gemäß Fig. 5 an einer Prozeßkammer mit bevorzugter Potentiallegierung der Prozeßkammerwand;

Fig. 7 eine für Plasmabehandlungsprozesse vorgesehene Heizelektrode der erfindungsgemäßen Heizanordnung mit Schutzmantelrohr, wofür das erfindungsgemäße Betriebsverfahren sich insbesondere eignet.

Gemäß Fig. 1 wirkt ein AC-Heizstromgenerator 1 über einen transformatorischen Überträger 3 auf einen sekundärseitigen Heizstromkreis 5 mit einer gestrichelt umrandeten Heizelektrode 7. In der Heizelektrode 7 ist der Heizstromkreis 5 zwischen sich benachbarten Anschlüssen A und E geschlauft, derart, daß sich in der Umgebung U der Heizelektrode 7 die durch den hin- und rücklaufenden Strom i bewirkten Magnetfelder aufheben.

Dadurch wird erreicht, daß sich in dieser Umgebung U die durch den wie auch immer gestellten Heizstrom i bewirkten Magnetfelder ±H aufheben, dabei die Umgebung U, wie mit dargestellt, beheizt wird.

Obwohl die Heizelektrode 7 gemäß Fig. 1 verschieden realisiert werden kann, wie beispielsweise mittels koplanarer Stromleiter, ergibt sich eine mechanisch besonders einfache Realisationsform gemäß Fig. 2 dadurch, daß der Außenleiter durch ein elektrisch leitendes Rohr 9, der Innenleiter durch einen elektrisch leitenden Kern oder, vorzugsweise, ein elektrisch leitendes Innenrohr 11 gebildet werden. Als Materialien des Innenleiterrohres 11 und des Außenleiterrohres 9 werden vorzugsweise Metalle mit für die Widerstandsheizung geeignet hohem spezifischem Widerstand gewählt, vorzugsweise rostfreier Stahl.

Die Sekundärseite des transformatorischen Übertragers wird an Innen- und Außenrohr 11 bzw. 9 angeschlossen, die Rohre 9 und 11 endständig, und, den Stromanschlüssen gegenüberliegend, wie bei 13 dargestellt, verbunden, vorzugsweise verschweißt.

Damit wird in höchst einfacher Art und Weise eine magnetfeldfreie Heiz-Stabelektrode geschaffen.

Soll die bis anhin beschriebene Heizelektrode 7 der erfindungsgemäßen Heizanordnung zusätzlich als Prozeßelektrode in einer Prozeßkammer, wie insbesondere in einer Vakuumprozeßkammer, dabei ganz besonders in einer Plasmaprozeßkammer, insbesondere mit AC-, AC+DC-, insbesondere mit Hochfrequenz- Plasmaentladung, betrieben werden, so wird, gemäß Fig. 3, der ganze Heizstromkreis 5 mit der Heizelektrode 7 auf das jeweils notwendige Prozeßbetriebspotential Φ_B gelegt, welches ein DC-, ein DC+AC- oder ein AC-Potential sein kann, aber insbesondere ein HF-Potential oder ein Potential mit hochfrequentem Anteil, wie bei Anlegen eines Rechteck-Impulspotentials.

Die Betriebspotentialquelle 15, wie schematisch dargestellt, für die Prozeßanforderungen einstellbar, ist einerseits mit dem Heizstromkreis 5 verbunden und liegt andererseits auf Bezugspotential, vorzugsweise Massepotential. Eine kapazitive Abschirmung 17 zwischen Primär- und Sekundärseite des transformatorischen Übertragers 3 verhindert, insbesondere bei einem Betriebspotential mindestens mit hochfrequenten Anteilen, daß aufgrund von Streukapazitäten zwischen Primär- und Sekundärseite des transformatorischen Übertragers 3 AC-, dabei insbesondere Hochfrequenzanteile oder, genereller, Betriebspotentialanteile auf den primärseitigen Heizstrom-Stellerkreis eingekoppelt werden können.

Der Heizstromsteller 1 kann, wie an dieser Stelle erwähnt sei und wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, auf beliebiges Potential gelegt werden, beispielsweise, wie in Fig. 3 dargestellt, auf das gleiche Bezugspotential, insbesondere Massepotential.

In Fig. 4 ist, ausgehend von der Ausführungsform gemäß Fig. 3, schematisch eine besonders einfache bevorzugte Realisation der kapazitiven Abschirmung 17 dargestellt, welche, wie ohne weiteres aus Fig. 4 direkt ersichtlich, durch mindestens einen Außenleiter 17a der mittels eines Koaxialkabels gebildeten sekundärseitigen Wicklung des transformatorischen Übertragers 3 gebildet ist, der an einem Punkt B mit Bezugspotential verbunden ist.

In Fig. 5 ist schematisch eine bevorzugte Realisationsform der erfindungsgemäßen Heizanordnung dargestellt, bei der die Heizelektrode 7 gleichzeitig Hochfrequenz-Plasmaentladungselektrode in bzw. für einen Hochfrequenz-Plasmaentladungsprozeß bildet, wie für einen PECVD-Prozeß gemäß der EP-A-0 533 044. Nach Erläuterung der Fig. 1 bis 4 bedarf der Fachmann keiner weiteren Erläuterungen zu Fig. 5, worin, zusätzlich zu den bereits beschriebenen, mit denselben Bezugszeichen versehenen Teilen, mit 19 die Primärwicklung des transformatorischen Übertragers 3 bezeichnet ist und mit 21 die Hochfrequenz-Hochspannungs-Betriebsquelle für die Hochfrequenz-Plasmaentladung. Im weiteren bezeichnet 23 den Kern des transformatorischen Übertragers und 25 den die Sekundärwicklung des transformatorischen Übertragers bildenden Innenleiter des mit der Abschirmung 17a versehenen Koaxialkabels.

In Fig. 6 ist das elektrische Ersatzbild der Anordnung gemäß Fig. 5 dargestellt. Wiederum sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei 27 ist die Prozeßkammerwand dargestellt, welche ebenfalls auf Bezugspotential, beispielsweise Massepotential, gelegt ist. Die Elemente L_T und C_T stellen die Elemente eines Anpaßnetzwerkes für den Hochfrequenzgenerator 21 dar, während C die in Fig. 3 gestrichelt eingetragene Streukapazität zwischen Hochfrequenzpotential-betriebenem Heizstromkreis 5 und Bezugspotential, insbesondere Abschirmung 17, darstellt. Wie aus Fig. 6 ohne weiteres ersichtlich, läßt sich die Streukapazität C durch entsprechende Bemessung bzw. Einstellung der Anpaßkapazität C_T berücksichtigen.

In Fig. 7 ist eine Heizelektrode 7a dargestellt, wie sie sich besonders eignet für eine Vakuumprozeßkammer.

Bekanntlich werden in einer Vakuumprozeßkammer die innenliegenden Oberflächen mitbehandelt, z. B. gesputtert, aber insbesondere beschichtet.

Um die Heizelektrode diesbezüglich zu schützen, wird gemäß Fig. 7 ein auswechselbares Schutzrohr 27 vorgesehen, befestigt an der Heizelektrode oder an der Kammer, worin die Heizelektrode eingeführt wird. Obwohl das Schutzrohr je nach Prozeß in der Vakuumkammer aus verschiedenen selektiv gewählten Materialien bestehen kann, wird bevorzugterweise ein Glasrohr eingesetzt, dabei vorzugsweise aus wärmebeständigem Glas, wie Pyrex.

Ist die erwähnte Prozeßbeeinträchtigung eine Beschichtung, so wird dabei vorzugsweise die äußere Schutzrohr-Oberfläche zur Erhöhung der Schichthaftung behandelt, vorzugsweise aufgerauht, dabei vorzugsweise sandgestrahlt. Damit wird ein Abplatzen der Störbeschichtung vom Schutzrohr drastisch reduziert. Dies wird auch dadurch erreicht, daß prozeßbedingte schnelle Temperaturänderungen, durch entsprechendes Beheizen der Heizelektrode, am Schutzrohr 27 gedämpft werden.

Dadurch wird auch die thermische Wechselbeanspruchung des Rohres 27 reduziert.

Bei Betrieb der Plasmaentladung mit 1,6 kW gepulster Leistung bei einer Pulsrepetitionsfrequenz von 300 kHz konnte problemlos auch bei mehreren Unterbrüchen kontinuierlich beschichtet werden, wobei die Plasmapolymerisation in einer Hexamethyldisiolxan- Atmosphäre von ca. 0,2 mbar vorgenommen wurde. Ohne Heizung der Betriebselektrode erschienen bereits nach einem einzigen Unterbruch des Beschichtungsprozesses Sprünge im Glasrohr 27 und Abplatzen von Störbeschichhtung vom Rohr 27.

Mit der vorgeschlagenen Heizanordnung wird auch erreicht, daß Prozesse in einer damit bestückten Prozeß-, insbesondere Vakuumprozeßkammer beherrschter und damit qualititiv besser, länger ohne Unterbrechung und damit preisgünstiger durchgeführt werden können. Der Schutzmantel 27 wird nach Gegebenheiten gereinigt oder ersetzt.

Claims (9)

1. Heizanordnung für eine Vakuumprozeßkammer mit einem transformatorischen Heizstrom-Übertrager (3), mittels welchem, sekundärseitig, ein Heizstrom (2) in einem Heizstromkreis (5) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstromkreis (5) eine Heizelektrode (7, 7a) umfaßt, woran die Heizstromführung zwischen benachbarten Stromanschlüssen (A, E) geschlauft ist.

2. Heizanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstromschlaufung an der Heizelektrode (7, 7a) mittels mindestens einer koaxialen Leiteranordnung (9, 11) realisiert ist, woran, den Stromanschlüssen (A, E) gegenüberliegend, koaxiale Leiter (9, 11) endständig leitend verbunden (13) sind, vorzugsweise kurzgeschlossen sind.

3. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelektrode (7, 7a) gleichzeitig Prozeßelektrode für einen elektrodengestützten Prozeß in der Prozeßkammer ist und der Heizstromkreis (5) hierfür mittels einer Prozeßelektroden-Betriebsquelle (15) auf elektrisches Betriebspotential (Φ_B) gelegt ist, wobei die Betriebsquelle (15) einerseits und eine Abschirmung (17, 17a) zwischen Primär- und Sekundärwicklung des transformatorischen Übertragers (3) anderseits auf ein Bezugspotential, vorzugsweise auf Massepotential, gelegt sind.

4. Heizanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des transformatorischen Übertragers (3) mittels eines Koaxialkabels (17a) gebildet ist, woran mindestens ein außen gelegener Koaxialleiter die Abschirmung bildet.

5. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsquelle (21) eine AC-, AC+DC-, vorzugsweise eine Hochfrequenzquelle ist.

6. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelektrode mit einem auswechselbaren Mantel (27) umgeben ist, vorzugsweise einem Rohr, dabei vorzugsweise aus Glas, vorzugsweise aus temperaturfestem Glas, und daß weiter vorzugsweise die Außenfläche des Mantels (27) bearbeitet, vorzugsweise aufgerauht, vorzugsweise sandgestrahlt ist.

7. Vakuumprozeßkammer mit einer Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Vakuumprozeßkammer mit einer Heizanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumprozeßkammer eine Plasmaprozeßkammer ist und die Heizelektrode Elektrode zur Bildung der Plasmaentladung in der Kammer bildet, vorzugsweise einer AC-, AC+DC-, vorzugsweise einer HF- oder gepulsten Plasmaentladung.

9. Verfahren zum Betrieb einer Plasmaprozeßkammer nach Anspruch 8, bei der die Heiz- und Plasmaentladungselektrode (7a) prozeßkompatibel beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrom im Heizstromkreis (5) so geführt wird, daß prozeßbedingte, zeitliche Temperatursprünge an der Elektrode (7a) gedämpft werden.