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    • 专利摘要:
    Beider erfindungsgemäßen Extraktionselektrodefür einePlasmastrahlquelle, vorzugsweise einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle,zur Extraktion eines Plasmastrahls aus einem Plasmaraum ist vorgesehen,dass die Extraktionselektrode als Trägerplatte mit einem Lochblendenmusterausgebildet ist.
    公开号:DE102004011118A1
    申请号:DE200410011118
    申请日:2004-03-08
    公开日:2005-10-06
    发明作者:Rudolf Dr. Beckmann；Andreas Caspari；Peter Pecher
    申请人:Leybold Optics GmbH；
    IPC主号:H01J37-32
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich auf eine Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquellesowie ein Verfahren zum Bestrahlen einer Oberfläche mit einem Plasmastrahlgemäß den Oberbegriffender unabhängigenPatentansprüche.
    [0002] BeiVakuumbeschichtungsverfahren werden häufig so genannte Plasmastrahlquelleneingesetzt. Ein Plasma enthältneben neutralen Atomen und/oder Molekülen Elektronen und positiveIonen als geladene Teilchen. Die Ionen werden durch elektrischeFelder gezielt beschleunigt und z. B. zum Abtragen einer Oberfläche oderzum Eintragen reaktiver Komponenten wie z. B. Sauerstoff in einefrisch aufwachsende Schicht eingesetzt und dergleichen mehr. Bekanntsind auch ionengestützteVerfahren, bei denen Material aus einer Materialquelle, typischerweiseeiner Verdampferquelle, verdampft wird und sich auf einem Substratniederschlägt. Dasauf dem Substrat aufwachsende Material wird mit einer reaktivenKomponente aus einem Plasma, beispielsweise Sauerstoff, beaufschlagtund bildet so z. B. eine Oxidschicht. Solche Verfahren sind z. B.bei der Herstellung transparenter Schichten für optische Anwendungen üblich. Dabeiist es auch von erheblicher Bedeutung, wie gleichmäßig derPlasmastrahl die Schicht beaufschlagt, da die optischen Eigenschaftensolcher Schichten in der Regel stark mit dem Sauerstoffgehalt variieren.
    [0003] Beider Herstellung dünnerSchichten in der Mikroelektronik oder für optische Anwendungen wirdin der Regel die Bereitstellung möglichst gleichmäßiger Schichtdickenund Schichteigenschaften, wie z. B dem Brechwert der abgeschiedenenSchichten, angestrebt. Im industriellen Einsatz werden dabei große Flächen und/oderviele Substrate gleichzeitig beschichtet, was die Problematik derSchichteigenschaften erhöht.Besonders bei optischen Schichten werden Schichtdickenschwankungen über eineFlächeoder die Substrate einer Beschichtungscharge von allenfalls wenigenProzent als tolerabel betrachtet.
    [0004] Ausdem europäischenPatent EP 349 556 B1 isteine Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle zur Sicherstellung eines möglichstgroßflächigen homogenenBeschusses von Oberflächenmit Atom- oder Molekülionenstrahleneiner hohen Parallelitätbekannt. Die Öffnungder Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle ist dabei mit einer Extraktionselektrode,einem sogenannten Extraktionsgitter, versehen, welches eine geringeMaschenweite aufweist, um ein Hindurchtreten des Plasmas durch diesesGitter zu verhindern. Das Extraktionsgitter ist in Form eines geeignetkonfigurierten Drahtnetzes oder in Form parallel verlaufender Drähte ausgeführt. Bestehtzwischen dem Plasma und dem Extraktionsgitter eine Hochfrequenzspannung,so entsteht von selbst eine ionenbeschleunigende Potentialdifferenz,die einen neutralen Plasmastrahl ermöglicht. Der so extrahierte Ionenstromwird durch einen im Takt der Hochfrequenz fließenden Elektronenstrom gleicherHöhe überlagert, sodass ein neutraler Plasmastrahl erzeugt wird, der quer zur Strahlrichtungvöllighomogen ist und keinerlei Modulationsstruktur aufweist. Um stetseine gute Ebenheit der Flächedes Extraktionsgitters aufrechtzuerhalten und eine nachteilige Beeinflussungdes Plasmastrahls durch eine Verformung des Extraktionsgitters zu vermeiden,wird die Gitterhalterung des Extraktionsgitters der bekannten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle miteiner Nachspannvorrichtung versehen.
    [0005] AlsExtraktionsgitter ist ein Drahtnetz aus einem 0,1mm dicken Drahtgeflechtmit einer Maschenweite von 1mm üblich.Wird eine derartige Quelle mit Argon betrieben, können dieaustretenden Ionen eine Durchätzungdes Drahtnetzes verursachen und damit die erreichbare Standdauerder Vorrichtung reduzieren. Zur Verlängerung der Lebensdauer desDrahtnetzes auf eine Zeit von 200 Stunden und mehr könnte darangedacht werden, die Drahtstärkezu erhöhen.Allerdings muss als Randbedingung eine Maschenweite von ≤ ca. 1mm eingehaltenwerden, damit ein Austreten des Plasmas aus der Quelle verhindertwird. Bei Beachtung dieser Randbedingung mindert ein Draht höherer Drahtstärke jedochdie Durchlässigkeitdes Netzes fürden Plasmastrahl.
    [0006] ZurIllustration dieses Problems werden im Folgenden Werte der optischenTransmission eines Drahtnetzes in Abhängigkeit von der Drahtstärke beieiner Maschenweite von 1mm angegeben. Drahtstärke [mm] OptischeTransmission 0,1 81% 0,2 64% 0,3 49% 0,4 36% 0,5 25% 0,6 16% 0,7 9% 0,8 4% 0,9 1% 1,0 0%
    [0007] DieMaschenweite wird hier als Abstand von Drahtmitte zu Drahtmittedefiniert.
    [0008] DurchErhöhungder Drahtstärkelässt sichfür praktischeAnwendungen eine Verlängerungder Lebensdauer des Drahtnetzes nur begrenzt erreichen, da bei dickerenDrähtendie Transmission der Ionen durch das Drahtnetz zu stark reduziertwird.
    [0009] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer Extraktionselektrodemit einer hohen optischen Transmission und zugleich verlängertenLebensdauer. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Plasmastrahlquelleeines Verfahrens zum Bestrahlen einer Oberfläche mit einem Plasmastrahlsowie einer Vakuumkammer mit einer derartigen Extraktionselektrode.
    [0010] DieAufgaben werden erfindungsgemäß jeweilsmit den Merkmalen der unabhängigenPatentansprüchegelöst.
    [0011] Weiterbildungensind den abhängigenPatentansprüchenzu entnehmen.
    [0012] Gemäß einemAspekt der Erfindung ist eine als Trägerplatte mit einem Lochblendenmusterausgebildete Extraktionselektrode vorgesehen.
    [0013] Gemäß einemweiteren Aspekt der Erfindung ist bei einer Plasmastrahlquelle miteinem Plasmaraum und elektrischen Mitteln zum Zünden und Erhalt eines Plasmassowie einer Austrittsöffnungmit einer Extraktionselektrode zur Extraktion eines Plasmastrahlsaus dem Plasmaraum, die Extraktionselektrode als Trägerplattemit einem Lochblendenmuster ausgebildet. Der Ersatz einer Trägerplattemit einem Lochblendenmuster ermöglichteine hohe optische Transmission, vorzugsweise von mehr als 70%,und eine bis um einen Faktor 20 längere Standzeit als bei bislangverwendeten Wolframdrahtgeflechten. Eine derartige Extraktionselektrode istferner kostengünstigherzustellen, zu montieren und gegebenenfalls auszuwechseln. EineNachspannvorrichtung kann entfallen.
    [0014] Bevorzugtist eine Ausführungsformder Elektrode, bei der Lochteilung und/oder Lochweite des Lochblendenmustersgeringer oder gleich der Dicke der Raumladungszone zwischen derTrägerplatteund dem Plasma im Plasmaraum ist, womit eine hohe optische Transmissionermöglichtwird.
    [0015] Beieinem Lochblendenmuster mit stark asymmetrisch geformten Löchern, wirdeine typische lineare Dimension kleiner als die Dicke der Raumladungszonegewählt.
    [0016] DieLochweite beträgtvorzugsweise 0,1mm bis 10mm, besonders bevorzugt 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm, 2,0mm,3,0mm, 5,0mm oder 8,0mm, da diese Werte in dem Bereich typischerDicken der erwähntenRaumladungszone liegen.
    [0017] Wenndie Trägerplatteeine Dicke von 0,05mm bis 10mm, vorzugsweise 0,2mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm,5,Omm oder 8,0mm aufweist, wird die Lebensdauer, Temperaturbelastbarkeitund mechanische Stabilitätder Extraktionselektrode erhöht.
    [0018] Beieinem Aspektverhältnisvon ≤ 10,bevorzugt ≤ 0,1,0,2, 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 5,0 oder 8,0 wird erreicht, dass ein relativgeringer Wert von Lochteilung und/oder Lochweite mit einer ausreichendenDicke der Trägerplattekombiniert ist und damit eine hohe optische Transmission bei gleichzeitighoher mechanischer und thermischer Stabilität der Extraktionselektrodeerreichbar ist. Als Aspektverhältnisder Extraktionselektrode wird hier das Verhältnis Lochweite zu Dicke derTrägerplattebezeichnet. Es versteht sich, dass bei stark asymmetrischen Lochformen,als Lochweite die kleinste lineare Dimension eines Loches bezeichnetwird.
    [0019] EineVerbesserung der mechanischen und thermischen Stabilität wird fernererreicht, wenn die Extraktionselektrode aus einem Material mit einemgeringen Sputteryield fürein inertes Prozessgas, vorzugsweise Argon, besteht. Alternativoder zusätzlichkann die Extraktionselektrode auch einseitig oder beidseitig miteiner Beschichtung aus einem derartigen Material versehen sein,was sich aus Kosten-Gesichtspunkten empfiehlt. Ähnliche Vorteile lassen sicherreichen, wenn die Extraktionselektrode aus einem Material mitgeringem Sputteryield zusätzlichoder alternativ fürein Reaktivgas, vorzugsweise Sauerstoff, besteht. Eine einseitigeoder beidseitige Beschichtung aus einem derartigen Material kannebenfalls vorgesehen sein. Als Material kann Wolfram, Molybdän, Graphit,Aluminiumoxid oder Siliziumoxid vorgesehen sein.
    [0020] Ineiner preiswerten Variante ist die Trägerplatte aus einem Stahlblechgefertigt. Ebenso könnensowohl die Trägerplatteals auch die Beschichtung aus einem Isolatormaterial bestehen. DieBeschichtung kann auch die Lochinnenflächen umfassen, womit gegebenenfallseine erhöhtemechanische und thermische Stabilität erreicht werden kann.
    [0021] ZurAufbringung der Beschichtung eignet sich vorzugsweise ein Plasmaspritzverfahren,ein chemisches Beschichtungsverfahren oder ein thermisches Verdampfungsverfahren,da diese preiswert und relativ einfach realisierbar sind.
    [0022] DasLochblendenmuster kann mittels mechanischer Formgebung vorzugsweiseStanzen oder Laserschneiden gebildet werden, wobei vorzugsweiseauch eine zusätzlicheBehandlung mittels einem Ätzverfahren und/odereinem Elektro-Polierverfahren vorgesehen ist. Wenn die Enddimensionendes Lochblendenmusters durch ein isotropes oder anisotropes Verfahrenbestimmt sind, lassen sich auf einfache Weise auch relativ großflächige Extraktionsgittermit geeigneten Lochblendenmustern preiswert und präzise herstellen.
    [0023] Ineiner bevorzugten Ausführungsformin der Erfindung ist ein kongruentes Lochblendenmuster vorgesehen,wodurch eine erhöhtemechanische und thermische Stabilität sowie eine hohe Homogenität des Plasmastrahlstransversal zur Ausbreitungsrichtung erreicht werden kann. Die Erfindungumfasst verschiedene geometrische Ausbildungen des Lochblendenmusters,insbesondere mit einer planaren sowie auch einer nicht planarenTrägerplatte.
    [0024] DieExtraktionselektrode kann nach einer bevorzugten Ausführungsformder Erfindung auf ein vorgegebenes Potential beziehungsweise einMassepotential gelegt sein.
    [0025] WeitereAusbildungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind unabhängig vonihrer Zusammenfassung in Ansprüchenohne Beschränkungder Allgemeinheit aus einer näherenBeschreibung anhand von Zeichnungen zu entnehmen.
    [0026] Eszeigen in schematischer Darstellung:
    [0027] 1 einePlasmastrahlquelle mit einem homogenen Magnetfeld in x-Richtung
    [0028] 2 eineerfindungsgemäße Plasmastrahlquelle
    [0029] 3 eineerfindungsgemäße Plasmastrahlquellemit einer Spiegelmagnet-Vorrichtung
    [0030] 4 eineExtraktionselektrode gemäß der Erfindung
    [0031] 5 einAnpassungsnetz füreine Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle
    [0032] 6 eineVakuumkammer mit einer erfindungsgemäßen Plasmastrahlquelle zumBestrahlen einer Oberflächemit einem divergenten Plasmastrahl.
    [0033] Inden folgenden Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Elementejeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
    [0034] In 1 istschematisch der Aufbau einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (Hf-Plasmastrahlquelle) zurErzeugung eines Plasmastrahls dargestellt, die insbesondere nachdem ECWR-Prinzip betrieben werden kann. In einem Plasmaraum 6 befindetsich ein Plasma, welches durch die Einstrahlung einer Hochfrequenzstrahlung,beispielsweise von 13,56 Megahertz, erzeugt wird. Der Plasmaraum 6 istin einem Gehäuse 4 angeordnet,welches eine Extraktionselektrode 5 im Bereich einer Austrittsöffnung aufweist.Gemäß der Erfindungist die Extraktionselektrode 5 insbesondere für den Einsatzin Hf-Plasmastrahlquellen ausgebildet, kann jedoch auch bei anderenPlasmastrahlquellen eingesetzt werden. Durch ein optimales homogenestransversales Magnetfeld 2, hier durch parallele Feldlinienin x-Richtung dargestellt, werden eine Erhöhung der Plasmadichte und damitein Betrieb der Plasmastrahlquelle bei relativ niedrigen Drücken ermöglicht.Zur Erzeugung des Magnetfelds 2 ist gegebenenfalls. eineMagneteinrichtung 1 vorgesehen. Üblicherweise wird die Magneteinrichtung 1 durcheinen Spulensatz ausgebildet, kann aber auch durch Permanentmagnetegebildet werden. Das Gehäuse 4 isttopfartig mit einer LängsachseS ausgebildet. Der Plasmastrahl 3 tritt durch die vorzugsweiseeine hohe Transmission aufweisende Extraktionselektrode 5 inRichtung der LängsachseS, die in diesem Fall parallel zu einer Quellnormalen liegt, ausdem Plasmaraum 6 aus, um damit eine in der 1 nichtdargestellte Oberflächezu bestrahlen. Zur Extraktion eines üblicherweise neutralen Plasmastrahlskann die Plasmastrahlquelle beispielsweise in der aus der EP 349 556 B1 bekanntenWeise betrieben werden.
    [0035] In 2 sindschematisch wesentliche Elemente einer weiteren Ausbildungsformder Hf-Plasmastrahlquelle dargestellt. Es ist ein Magnetfeld 7, 8 vorgesehen,mit dem die Bildung eines konvergenten oder divergenten Plasmastrahls 3 erreichtwerden kann. Zur Erzeugung des Magnetfeldes 7, 8 isteine in 2 zur Vereinfachung nicht dargestellteVorrichtung vorgesehen. Einzelheiten dieser Vorrichtung werden inden folgenden 3 und 4 gezeigt.Unter einem divergenten Plasmastrahl 3 soll ein Plasmastrahlverstanden werden, der zumindest in einer Richtung senkrecht zurHauptstrahlrichtung noch merklich Teilchen abstrahlt. Ein divergenterPlasmastrahl kann eine Strahlcharakteristik aufweisen, die sichannäherungsweisedurch eine Kosinus-Verteilungbeschreiben lässt,wie detailliert in der Abhandlung von G. Deppisch: „Schichtdickengleichmäßigkeitvon aufgedampften Schichten in Theorie und Praxis", Vakuumtechnik,30. Jahrgang, Heft 3, 1981, ausgeführt wird. Die Vorrichtung in 2 weisteine planare Extraktionselektrode 5 und eine Quellennormale auf,die mit der Achse S des Plasmaraums 6 zusammenfällt.
    [0036] Dasin 2 dargestellte Magnetfeld 7, 8 hatim Plasmaraum 6 nur eine Komponente in Z-Richtung, senkrechtzum lateralen Magnetfeld 2. Dies hat den Vorteil, dassbei einem Betrieb der Hf-Plasmastrahlquelle nach dem ECWR-Prinzipdieses nicht durch das überlagerteMagnetfeld 7, 8 in seiner Funktion gestört wird. DasMagnetfeld 7, 8 verläuft außerhalb des Plasmaraums 6,wie durch die gekrümmtenFeldlinien 7 im Anschluss an die senkrechten Feldlinien 8 angedeutetist. Außerhalbdes Plasmaraums 6 nimmt die Magnetfeldstärke mitzunehmender Entfernung vom Plasmaraum 6 bzw. von der Extraktionselektrode 5 ab.Da geladene Teilchen des Plasmas durch das Magnetfeld im Plasmaraum 6 aufKreisbahnen gezogen werden und so Wandverluste durch geladene Teilchenverringert werden, wird mit dem Magnetfeld 7, 8 derWirkungsgrad der Hf-Plasmastrahlquelle verbessert. Vorzugsweisewird die Quelle nach dem ECWR-Prinzip betrieben, wobei quer zurAchse 5 in der x-y-Ebeneein transversales homogenes Magnetfeld 2 erzeugt wird.Zumindest in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das überlagerteMagnetfeld 7, 8 im Plasmaraum 6 homogenausgebildet ist.
    [0037] DieVorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes 7, 8 kanndurch eine oder mehrere Magnetspulen oder Permanent-Magnete gebildetsein. Vorzugsweise ist die Vorrichtung außerhalb des Gehäuses 4 angeordnet.
    [0038] In 3 isteine weitere Ausgestaltung der Hf-Plasmastrahlquelle dargestellt.Durch eine erste Ringspule 9 am oberen Rand des Gehäuses 4 bzw.des Plasmaraums 6 und eine zweite Ringspule 10 amunteren Rand des Gehäuses 4 bzw.des Plasmaraums 6 wird eine Spiegelmagnetvorrichtung gebildet,wobei die ein Magnetfeld erzeugenden Ströme in der oberen Ringspule 9 undin der unteren Ringspule 10 gegenläufig fließen.
    [0039] In 4 isteine kreisförmigeerfindungsgemäße Extraktionselektrodefür einePlasmastrahlquelle, welche als Trägerplatte 5 mit einemLochblendenmuster 5b ausgebildet ist, schematisch dargestellt.Es versteht sich, dass auch andere Formen, wie Rechtecke, Trapezeusw. fürdie Elektrode möglichsind. Die Trägerplatte 5 weisteinen peripheren Bereich 5a auf, der frei von dem Lochblendenmuster 5b istund der Befestigung dient. Der Bereich 5a kann Befestigungselemente,beispielsweise Öffnungenfür Schraubenoder dergleichen, aufweisen.
    [0040] Wiean sich bekannt ist, könnenzur Charakterisierung des Lochblendenmusters Lochblendenparameterwie Lochteilung und Lochweite herangezogen werden. Als Lochteilungt wird der Abstand der Mittelpunkte nächstliegender Löcher bezeichnet.Die Lochweite w bezeichnet den Durchmesser eines Loches. Zwischen denLöchernsind Stege angeordnet, so dass die Lochteilung gleich der Summeder Lochweite und der Stegbreite ist.
    [0041] Dasin 4 dargestellte Lochblendenmuster 5b weistkreisförmigeLöcherauf, die in einer trigonalen Struktur, d.h. mit einer 60° Rotationssymmetrie,angeordnet sind. Es versteht sich, dass auch andere Konfigurationenvon Lochblendenmustern von der Erfindung umfasst werden, insbesondereLochblendenmuster mit geraden oder diagonal versetzten Reihen vonLöchern.Ferner könnendie Löcherauch als Quadrat, Sechskant, Rauten, Dreieck, Sternloch oder Langlochausgebildet sein.
    [0042] DieErfindung umfasst auch Lochblendenmuster mit stark asymmetrischenLochformen, wie beispielsweise Reihen von schlitzartigen Öffnungen.In letzterem Fall ist vorzugsweise der lineare Abstand der Öffnungsbegrenzungenkleiner oder gleich der Dicke der Raumladungszone zwischen Plasmaund Trägerplatte gewählt.
    [0043] Bevorzugtwird ein Lochblendenmuster mit einer relativen freien Lochfläche zwischen0,6 und 0,99 gewählt.
    [0044] AlsAspektverhältnisder Extraktionselektrode wird das Verhältnis Lochweite zu Dicke derTrägerplatte bezeichnet.Zur Gewährleistungeiner erhöhtenthermischen und mechanischen Stabilität der Extraktionselektrodewird ein Aspektverhältnisvon ≤ 0,1bevorzugt. Im Hinblick auf eine verlängerte Lebensdauer der Extraktionselektrodehat es sich als günstigerwiesen, eine Trägerplattemit einer Dicke von ≥ 0,1mm,vorzugsweise einer Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 1,5mm, einzusetzen,wobei Lochteilung und/oder Lochweite geringer oder gleich der Dickeder Raumladungszone zwischen der Trägerplatte und dem Plasma imPlasmaraum gewähltsind, worauf im Folgenden noch genauer eingegangen wird. Weiterebevorzugte Werte der Dicke der Trägerplatte liegen in einem Bereichvon 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm, 5,0mm oder 8,0mm.
    [0045] Zumindestbei einer Extraktionselektrode füreine Hf-Plasmastrahlquelle weist die Trägerplatte zumindest einen Kernoder eine Beschichtung aus einem leitfähigen Material auf. Optionalkann zumindest eine Beschichtung oder Schicht aus einem Isolatorvorgesehen sein, beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumoxid.
    [0046] DieTrägerplatteder Extraktionselektrode gemäß der Erfindungbesteht günstigerweiseaus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein inertesProzessgas, vorzugsweise Argon. Alternativ oder zusätzlich kannnoch eine Beschichtung mit einem derartigen Material einseitig oderbeidseitig vorgesehen sein. In einer Weiterbildung kann die Trägerplatteaus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein Reaktivgas,vorzugsweise Sauerstoff, bestehen und/oder einseitig oder beidseitigmit einer Beschichtung aus einem derartigen Material versehen sein.Es versteht sich, dass auch eine Trägerplatte von der Erfindungumfasst ist, die ein Material mit einem geringen Sputteryield sowohlfür eininertes Prozessgas als auch fürein Reaktivgas aufweist. Vorzugsweise ist als Material Wolfram,Molybdänoder Graphit vorgesehen.
    [0047] Insbesonderebei Vorliegen einer Beschichtung kann die Trägerplatte aus einem preisgünstigenStahlblech bestehen.
    [0048] DieBeschichtung kann auch die Lochinnenflächen umfassen. Zur Herstellungder Beschichtung wird ein Plasmaspritzverfahren, ein chemischesBeschichtungsverfahren oder ein thermisches Verdampfungsverfahreneingesetzt.
    [0049] EinLochblendenmuster mit einer Stegbreite von 0,1mm lässt sichdurch Stanzen und Laserschneiden nur mit relativ hohem Aufwand herstellen.Vorzugsweise zum Erreichen von kleinen Stegbreiten wird daher vorgeschlagen,nach Bildung des Lochblendenmusters die Stegbreite durch chemische Ätzverfahrenoder Elektropolieren noch weiter zu reduzieren. Es kann daher zunächst einLochblendenmuster mit einer Stegbreite von vorzugsweise mehr als0,2mm gebildet werden, dessen Enddimensionen durch ein Ätzverfahrenbestimmt werden. Beispielsweise können ein 1,15mm dickes Blechmit einer Stegbreite von 0,3mm auf ein Lochblendenmuster mit einerStegbreite von 0,1mm reduziert werden, wobei das Blech auf 1,0mmabgeätztwird, falls ein isotropes Ätzverhaltendes Materials vorliegt. Es versteht sich, dass bei einem Materialmit anisotropen Ätzverhaltenentsprechende Variationen des angegebenen Beispiels ohne weiteresmöglichsind.
    [0050] Ummit der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Plasmastrahlquelleeine homogene Bestrahlung einer Oberfläche zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß eine gezielteWechselwirkung des Plasmas mit der als Trägerplatte mit Lochblendenmusterausgebildeten Extraktionselektrode vorgesehen. Vorzugsweise beieiner ebenen Oberflächeist die Verwendung eines kongruenten Lochblendenmusters vorteilhaft.In diesem Fall ist es ebenfalls günstig, wenn die Trägerplatteplanar ist. Bei gekrümmtenOberflächenhat sich gezeigt, dass mit einer nicht-planaren, vorzugsweise relativzum Plasmaraum konvexen oder konkaven Trägerplatte besonders einfacheine Divergenz des Plasmastrahls bewirkbar ist.
    [0051] Einwesentlicher Parameter bei der Wechselwirkung zwischen Plasma undExtraktionselektrode ist die Dicke der Raumladungszone zwischender Extraktionselektrode und dem Plasma.
    [0052] DieDicke d der Raumladungszone kann aus Textbüchern entnommen werden. Danachhängt dieDicke d von der Ionenstromdichte j und dem Spannungsabfall U zwischendem Plasmarand und der Extraktionselektrode ab:
    [0053] ZurBestimmung von Lochblendenparametern der Extraktionselektrode wirdvon folgenden Überlegungenausgegangen: Füreinen Ionenstrom von 1 A/m2, der einen üblichenWert fürden Betrieb derartiger Beschichtungsanlagen darstellt, wurde beieiner Hf-Plasmastrahlquelle die Dicke d der Raumladungszone berechnet.Die Dicke d der Raumladungszone steigt mit zunehmendem Spannungsabfallan und variiert zwischen 0,5mm bis zu 2,5mm bei einem Spannungsabfallzwischen ca. 50 und ca. 370 Volt. Die Dicke d in einem bevorzugtenSpannungsbereich zwischen 50 und 200 Volt ist deutlich kleiner als2mm.
    [0054] Betrachtetman die Abhängigkeitder Dicke d der Raumladungszone von der Ionenstromdichte bei festerExtraktionsspannung, z. B. bei 150 Volt, ergibt sich, dass die Dickeder Raumladungszone d bei fester Extraktionsspannung mit steigenderStromdichte fällt.In einem bevorzugten Bereich zwischen 4 A/m2 und25 A/m2 ist die Dicke d der Raumladungszonegeringer als 2mm.
    [0055] DieStruktur des Lochblendenmusters der Extraktionselektrode beeinflusstdie Form der Raumladungszone. Die Verformung nimmt zu, wenn Dickeder Raumladungszone und Lochteilung und/oder Lochweite in der gleichenGrößenordnungliegen. Dies kann zur Erzeugung eines divergenten Plasmastrahlsausgenutzt werden. Sinnvollerweise sollten die Lochparameter jedochklein genug sein, damit das Plasma nicht merklich durch die Austrittsöffnung entweicht.
    [0056] Wirddie Extraktionselektrode 5 nicht planar, sondern gekrümmt ausgebildet,so bildet sich eine gekrümmtePlasmarandschicht aus und es kann ein divergenter Plasmastrahl extrahiertwerden. In diesem Fall könnendie Lochparameter der Extraktionselektrode 5 relativ klein,insbesondere geringer als die Dicke der Raumladungszone gewählt werden.Es sind sowohl konvexe als auch konkave Extraktionselektroden möglich.
    [0057] Beieiner weiteren Ausführungsformkann die Extraktionselektrode 5 über zumindest einem Teilbereich seinerFlächehinsichtlich des Lochblendenmusters inhomogen ausgebildet sein,vorzugsweise, um damit eine lokale Änderung der optischen Transmissionzu erreichen. Zweckmäßigerweisekönnendamit lokale Variationen der Plasmastrahldichte senkrecht zur Ausbreitungsrichtungdes Plasmastrahls erzeugt werden, vorzugsweise um Randeffekte zukompensieren. Beispielsweise kann ferner das Muster so variiertwerden, so dass ein Kreisring gebildet wird, mit dem ein kreisringförmiger Plasmastrahlerzeugt werden kann. Die Inhomogenität kann ferner durch eine Variationvon Lochweite und/oder Stegbreite realisiert werden. Mittels einer Änderungder lokalen optischen Transmission kann ferner die Divergenz desPlasmastrahls eingestellt werden. Ferner können zur Beeinflussung desPlasmastrahls außerhalbdes Plasmaraums 6 eine oder mehrere Blenden vorgesehensein. Ebenso kann die Austrittsöffnungin Teilbereichen mit Blenden abgedeckt sein und damit sonst inhomogenbestrahlte Bereiche einer Oberflächeausgeblendet werden.
    [0058] Ineiner weiteren Ausführungsformder Erfindung kann eine Plasmastrahlquelle mit einer planaren Extraktionselektrodezur Bestrahlung von auf einer Kalotte angeordneten Substraten verwendetwerden, wobei in einem Raumbereich außerhalb des Plasmaraums zumindesteine Blende angeordnet ist. Diese Blende begrenzt den Plasmastrahlderart, dass die ansonsten inhomogen bestrahlten Bereiche auf derKalotte von der Bestrahlung ausgenommen werden. Dies kann ebensodurch die Abdeckung von Teilbereichen der Austrittsöffnung erfolgen.Die Form der verwendeten Blenden wird vorzugsweise empirisch anhandder erreichten Bestrahlungsergebnisse bestimmt.
    [0059] Für einenoptimierten Betrieb der Hf-Plasmastrahlquelle ist ein Anpassungsnetzwerkvorgesehen, um den Innenwiderstand eines Hochfrequenz-Generatorsauf die Verbraucherimpedanz abzustimmen.
    [0060] In 5 istein bevorzugtes Anpassungsnetzwerk gezeigt, das einen Hochfrequenz-Generator 15 für einenPrimär-und Sekundärkreisan eine Hf-Plasmastrahlquelle ankoppelt, wie beispielsweise ausdem Artikel von J. P. Rayner et al: "Radio frequency matching for heliconplasma sources",J. Vac. Scl. Technol. A 14(4), Jul/Aug. 1996, bekannt ist. Dem Hochfrequenz-Generator 15 istein Kondensator 12 parallel geschaltet. Ferner ist zwischeneiner Primärspule 14 unddem Hochfrequenz-Generator 15 ein einstellbarer Kondensator 13 angeordnet.Eine Sekundärspule 16 überträgt elektrischeLeistung des Hochfrequenz-Generators 15 an eine Induktionsschleife 17,mit der eine induktive Anregung des Plasmas erfolgen kann. Parallelzur Sekundärspule 16 bzw.zum Kondensator 13 ist ein Kondensator 16a bzw.ein Kondensator 13a angeordnet. Ferner ist eine Energieelektrode 19 vorgesehen,die in direktem Kontakt mit dem Plasma steht oder optional über einisolierendes Material, beispielsweise eine Quarz- oder Glasscheibe,kapazitiv an das Plasma im Plasmaraum 6 ankoppelt. Durchdas Potential der Energieelektrode 19 lässt sich die Ionenenergie desPlasmastrahls einstellen. Vorzugsweise ist die Energieelektrode 19 Bestandteileiner Gasversorgung, beispielsweise einer Gasdusche, mit der einflächig-homogenesEinströmeneines Gases in den Plasmaraum 6 ermöglicht wird. Die Energieelektrodeist übereinen einstellbaren Kondensator 18 mit einem Abgriff ander Primärspule 14 verbunden.Bei der gezeigten Anordnung werden durch eine Versorgungseinheit(Hochfrequenz-Generator 15) die Induktionsschleife 17 unddie Energie-Elektrode 19 mit elektrischer Energie versorgt.Alternativ könnenbeispielsweise auch zwei separate Hochfrequenz-Generatoren und zweiAnpass-Netzwerke, und zwar jeweils eines für die Induktionsspule 17 undeines fürdie Energie-Elektrode 19, verwendet werden.
    [0061] Bevorzugtwird die Anordnung gemäß 5 inVerbindung mit einer Vorrichtung und/oder einer Magneteinrichtungeingesetzt, wie sie im Zusammenhang mit den vorerwähnt beschriebenenAusführungsbeispielender Hf-Plasmastrahlquelle vorgesehen sind. Besonders bevorzugt istder Einsatz bei einer nach dem ECWR-Prinzip betreibbaren oder betriebenenHf-Plasmastrahlquelle.
    [0062] Eineerfindungsgemäße Plasmastrahlquellewird bevorzugt in eine Vakuumkammer 20 eingebaut und zumBestrahlen einer gekrümmtenOberflächeK eingesetzt, wie in 6 gezeigt. Eine derartige Vakuumkammer 20 weistneben Kammerwänden 21 üblicherweiseVakuumpumpen, Gasversorgung und Analytik auf. Bei der in 6 dargestelltenVakuumkammer sind ferner auf der als Kalotte ausgebildeten Oberfläche K Substrate 22 angeordnet.Ein divergenter Plasmastrahl 3 der erfindungsgemäßen Hf-Plasmastrahlquelleermöglicht einehomogene großflächige Bestrahlungder OberflächeK bzw. der Substrate 22. Die Substrate 22 können beispielsweiseauf Kreisringen angeordnet sein. Wie an sich bekannt, kann die indiesem Fall als Substrathalterung fungierende gekrümmte Oberfläche bewegbar,insbesondere drehbar ausgebildet sein. Wie in 6 kanndie Plasmastrahlquelle 23 gegenüber der Symmetrieachse der Kalotteversetzt sein. Jedoch kann bei alternativen Ausführungsformen auch eine zentraleAnordnung der Plasmastrahlquelle vorgesehen sein.
    权利要求:
    Claims (27)
    [1] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle,vorzugsweise einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle, zur Extraktioneines Plasmastrahls aus einem Plasmaraum, dadurch gekennzeichnet,dass die Extraktionselektrode als Trägerplatte mit einem Lochblendenmusterausgebildet ist.
    [2] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lochteilung, Lochweiteund/oder typische lineare Dimension des Lochblendenmusters geringeroder gleich der Dicke der Raumladungszone zwischen der Trägerplatteund dem Plasma im Plasmaraum ist.
    [3] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachAnspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrodeein Aspektverhältnis ≤ 0,1 aufweist.
    [4] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass eine Lochweite oder typische lineare Dimension des Lochblendenmusters ineinem Bereich von 0,1mm bis 10mm, bevorzugt 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm,2,0mm, 3,0mm, 5,0mm oder 8,0mm vorgesehen ist.
    [5] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Trägerplatteeine Dicke von ≥ 0,1mmbis 10mm, bevorzugt 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm, 5,0mm oder8,0mm aufweist.
    [6] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Trägerplatteaus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein inertesProzessgas, vorzugsweise Argon, besteht.
    [7] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Trägerplatteeinseitig oder beidseitig mit einer Beschichtung aus einem Materialmit einem geringen Sputteryield für ein inertes Prozessgas, vorzugsweiseArgon, versehen ist.
    [8] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Trägerplatteaus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein Reaktivgas,vorzugsweise Sauerstoff, besteht und/oder einseitig oder beidseitigmit einer Beschichtung aus einem derartigen Material versehen ist.
    [9] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachAnspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Material Wolfram,Molybdänoder Grafit vorgesehen ist.
    [10] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Beschichtung auch die Lochinnenflächen umfasst.
    [11] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Beschichtung mittels eines Plasmaspritzverfahrens, einemchemischen Beschichtungsverfahren oder einem thermischen Verdampfungsverfahrenaufgebracht ist.
    [12] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Trägerplatteeine Isolatorschicht umfasst und/oder die Beschichtung aus einemIsolatormaterial besteht.
    [13] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Trägerplatte einenKern oder eine Beschichtung aus einem leitfähigen Material, vorzugsweiseStahl, aufweist.
    [14] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass das Lochblendenmuster mittels mechanischer Formgebung, vorzugsweiseStanzen oder Laserschneiden, gebildet ist.
    [15] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachAnspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblendenmusterzusätzlichmittels einem Ätzverfahrenund/oder einem Elektropolierverfahren gebildet ist.
    [16] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachAnspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Enddimensionen desLochblendenmusters durch ein isotropes oder anisotropes Ätzverfahrenbestimmt sind.
    [17] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass ein kongruentes Lochblendenmuster, vorzugsweise mit einem peripher angeordnetenBefestigungsbereich, vorgesehen ist.
    [18] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass ein inhomogenes Lochblendenmuster vorgesehen ist.
    [19] Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass eine nicht-planare, vorzugsweise eine relativ zum Plasmaraumkonvexe oder konkave Trägerplattevorgesehen ist.
    [20] Plasmastrahlquelle, vorzugsweise einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle,mit einem Plasmaraum und elektrischen Mitteln zum Zünden undErhalt eines Plasmas sowie einer Austrittsöffnung mit einer Extraktionselektrodezur Extraktion eines Plasmastrahls aus einem Plasmaraum, dadurchgekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode nach zumindest einemder Ansprüche1 bis 18 ausgebildet ist.
    [21] Plasmastrahlquelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,dass mittels des Lochblendenmusters eine Divergenz oder Konvergenzdes Plasmastrahls bewirkbar ist.
    [22] Plasmastrahlquelle nach Anspruch 19 bis 20, dadurchgekennzeichnet, dass die Divergenz oder Konvergenz des Plasmastrahlsdurch eine lokale Änderungder optischen Transmission bewirkbar ist.
    [23] Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis21, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Lochblendenmustersauf einer zugeordneten zu bestrahlenden Oberfläche eine vorgegebene Plasmastrahldichteeinstellbar ist.
    [24] Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis22, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode auf einvorgegebenes Potential, vorzugsweise Massepotential, gelegt ist.
    [25] Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugungeines Magnetfeldes vorgesehen ist, mit dem eine Konvergenz oderDivergenz des Plasmastrahls bewirkbar ist.
    [26] Vakuumkammer mit einem Gehäuse, einer Plasmastrahlquelleund einer zu bestrahlenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet,dass die Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis24 ausgebildet ist.
    [27] Verfahren zum Bestrahlen einer Oberfläche miteinem Plasmastrahl einer Plasmastrahlquelle, dadurch gekennzeichnet,dass die Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis25 ausgebildet ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004011118B4|2009-09-24|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-10-06| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2010-03-18| 8364| No opposition during term of opposition|
    2015-10-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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