DE4446297A1 - Heizanordnung, Vakuumprozeßkammer mit einer solchen und Betrieb einer derartigen Vakuumprozeßkammer - Google Patents
Heizanordnung, Vakuumprozeßkammer mit einer solchen und Betrieb einer derartigen VakuumprozeßkammerInfo
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- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
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 ΦB 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 LT und CT
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 CT 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 (ΦB) 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.
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