DE102004012847A1 - Vorrichtung zum Plasmaätzen von flächenbehafteten Objekten mit hoher Abtragsrate - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum reaktiven oder nichtreaktiven Plasmaätzen von mindestens einem flächenbehafteten Objekt, bestehend aus einer Einheit oder zwei Einheiten, wobei eine jeweilige Einheit mindestens eine Plasmaquelle aufweist, welche mindestens eine Hohlkatode (105) mit zugehöriger Anode (109), Stromversorgungseinrichtung (107; 108) und Magneteinrichtung umfasst, wobei die Magneteinrichtung mindestens zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Polschuhe (103; 104) umfasst, mit welchen ein inhomogenes Magnetfeld (101) erzeugbar ist; wobei die Hohlkatode (105) unmittelbar außerhalb oder im Randbereich des Magnetfeldes (101) im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet ist und die Anode (109) im Bereich des stärkeren Magnetfeldes angeordnet ist, wobei die Hohlkatode (105) im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes (101) im Bereich des schwächeren Magnetfeldes ausgerichtet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die sowohl zum nichtreaktiven als auch reaktiven Plasmaätzen flächenbehafteter Objekte mit hoher Abtragsrate im Vakuum geeignet ist. Unter flächenbehafteten Objekten sollen sowohl flache, bandförmige oder tafelförmige Substrate als auch konvex geformte Oberflächenabschnitte von Bauteilen verstanden werden. Die abzutragenden Schichten eines Objekts sind vorzugsweise aus Metall. Es können jedoch auch elektrisch leitfähige Beschichtungen oder dünne nicht leitfähige Schichten auf einer elektrisch leitfähigen Unterschicht oder auf elektrisch leitfähigen Substraten abgetragen werden, wobei vorbeschichtete Objekte auch aus Kunststoff, Glas, Metall oder anderen Materialien sein können.
• Typische Anwendungen für eine erfindungsgemäße Vorrichtung sind das Abtragen von Schichten zum Erzeugen reiner Oberflächen, meist um für eine nachfolgende Beschichtung günstige Bedingungen zum Aufbau eines Haftverbundes der aufzutragenden Schicht zu erzeugen.
• Es ist allgemein bekannt, dass der Beschuss von Festkörperoberflächen mit Atomen oder Ionen geeigneter Masse und Energie zum Abtrag eines Festkörpermaterials durch Zerstäubung (auch Sputtern genannt) führt. Sowohl das Bombardieren der Festkörperoberfläche mit einem Ionenstrahl wie auch das Extrahieren von Ionen aus einem Plasma und deren Beschleunigung zur Festkörperoberfläche führen zum Sputterabtrag. Die positiven Ionen können entweder durch Extraktion aus einem Plasma unabhängig von der Art dessen Generierung (DC, HF, MW, Arc, Laser) und Beschleunigung durch ein gegenüber dem Plasmapotential negatives Bispotential oder durch Nutzung des negativen Potentials einer Katode in einer DC-Entladung sowie durch Nutzung des sich in einer HF-Entladung mit unsymmetrischer Elektrodenanordnung einstellenden negativen Potentials an der kleineren Elektrode erzeugt werden. Für die Höhe der spezifischen Ätzabtragsleistung ist neben der Beschleunigungsspannung der Ionen (i.d.R. die Biasspannung) vor allem die extrahierbare Ionenstromdichte, die sich nahezu proportional zur Ladungsträgerdichte im Plasma verhält, verantwortlich. Für Beschleunigungsspannungen deutlich oberhalb der Sputtergrenze, d.h. oberhalb von 100 V, verhält sich die spezifische Sputterrate nahezu proportional zur spezifischen Sputterleistung, dem Produkt aus Beschleunigungsspannung und Ionenstrom. Das Erzeugen von Plasmen, auch mit hoher Ladungsträgerdichte, ist für kleine Oberflächen bzw. für Objekte mit kleinem Volumen in vielfältiger Weise möglich. Problematisch ist jedoch die Kombination von großflächigen Objekten mit Plasmen hoher Dichte.
• Die einfachste bekannte technische Lösung zum Plasmaätzen von Metallobjekten ist eine DC-Diodenzerstäubungsanordnung. Als Vorteil dieser Einrichtung gilt die verhältnismäßig gute Aufskalierbarkeit des Prozesses auf große Objektflächen. Typische Ionenstromdichten unterhalb von 1 mA/cm² begrenzen jedoch die Ätzabtragsgeschwindigkeit für Metalle auf einige zehn nm/min.
• Hochfrequenzbetriebene inverse Sputterätzer nutzen eine unsymmetrische Elektrodenanordnung in Verbindung mit einer kapazitiven HF-Einkopplung. Typischerweise ist eine großflächige Elektrode topfförmig ausgeführt und das abzuätzende Substrat wird als kleinflächige Elektrode geschaltet. Die kleinflächige Elektrode stellt sich auf ein gegenüber dem Plasmapotential negatives Potential ein, wobei Biasspannungen von bis zu 1000 V erreicht werden können. Eine derartig kleinflächige Elektrode kann auch als Fenster ausgebildet sein, an dem ebene Objekte mit geringem Dunkelraumabstand vorbeibewegt werden. Zur Ätzbehandlung von Objekten mit gebogenen Oberflächen, die sich nicht mit einem gleichmäßigen Dunkelraumabstand an die Gegenelektrode anpassen lassen bzw. daran vorbeiführen lassen, ist die Verwendung eines inversen Sputterätzers mit Gitterelektrode möglich. Durch die Gitterelektrode wirkt der inverse Sputterätzer als Ionenquelle. Eine derartige Anordnung ist aus DE 37 08 717 A1 bekannt.
• Die mit dem inversen Sputterätzer extrahierbaren Ionenstromdichten belaufen sich auf 0,5 bis 1 mA/cm², bei Konfigurationen mit magnetischer Verstärkung des Plasmas bis auf 2 mA/cm². Die maximale Größe der Ätzfläche ist auf etwa 1000 cm² beschränkt, da die Impedanzanpassung und die Kompensation der Blindströme, die infolge der unvermeidbaren baugrößenabhängigen parasitären Kapazität entstehen, für größere Baueinheiten technisch nicht mehr beherrschbar sind. Die erzielbaren Abtragsraten auf Metallsubstraten bewegen sich entsprechend in einem Bereich von 60 bis 200 nm/min.
• Es ist weiterhin bekannt, zum Erzeugen eines Plasmas beim Ätzen von Substraten eine Einrichtung mit Diodenanordnung zu verwenden, bei der eine Elektrode magnetisch verstärkt ausgeführt ist und die zweite Elektrode vom abzuätzenden Substrat gebildet wird ( DE 195 46 826 C1 ). Ein zu behandelndes Objekt oder ein mit mehreren Objekten bestückter Drehkorb wird als aktive Elektrode in die Gasentladungsstrecke einbezogen, welche mit einer bipolar gepulsten Mittelfrequenzspannung betrieben wird. Die Ätzwirkung entsteht hierbei in Zeitphasen mit negativer Polarität am Objekt. Die damit erzielten Abtragsraten liegen im Bereich von 1 bis 10 nm/min je nach konkreter Konfiguration und Ätzaufgabe, was für eine wirtschaftliche Entschichtung ebenfalls zu gering ist.
• Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Plasmaätzeinrichtung zu schaffen, welche ein großflächiges, weitgehend gleichmäßiges und dichtes Plasma erzeugt, womit sowohl flache, bandförmige oder tafelförmige Substrate als auch konvex geformte Oberflächenabschnitte von Bauteilen einem Ätzprozess unterzogen werden können. Die damit erreichbaren Sputterabtragsraten sollen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erhöht werden, ohne Abstriche an der Qualität der zu behandelnden Oberfläche eines Objektes machen zu müssen. Die Extraktion hoher Ionenstromdichten auf großen Flächen soll hierbei nicht mit dem Mechanismus der Generierung eines Plasmas verkoppelt sein, wie es immer dann gegeben ist, wenn ein Objekt oder ein Target selbst als Katode ausgebildet ist. Eine hohe verfügbare Ionenstromdichte soll es ermöglichen, hohe Sputterleistungen mit verhältnismäßig niedrigen Beschleunigungsspannungen zu erreichen. Die Sputterabtragsraten, die im nichtreaktiven Prozess erreicht werden, sollen bei einer Beschleunigungsspannung von höchstens 300 V zwischen 0,1 – 5 μm/min betragen.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Erfindungsgemäß besteht eine Vorrichtung zum reaktiven oder nichtreaktiven Plasmaätzen von mindestens einem flächenbehafteten Objekt aus einer Einheit oder zwei Einheiten, wobei eine jeweilige Einheit mindestens eine Plasmaquelle aufweist, welche mindestens eine Hohlkatode mit zugehöriger Anode, Stromversorgungseinrichtung und Magneteinrichtung umfasst, wobei die Magneteinrichtung mindestens zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Polschuhe umfasst, mit welchen ein inhomogenes Magnetfeld erzeugbar ist; wobei die Hohlkatode unmittelbar außerhalb oder im Randbereich des Magnetfeldes im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet ist und die Anode im Bereich des stärkeren Magnetfeldes angeordnet ist, wobei die Hohlkatode im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes im Bereich des schwächeren Magnetfeldes ausgerichtet ist.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin eine an sich bekannte Vakuumanlage. Diese enthält Mittel zur Aufnahme von einem oder mehreren Objekten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert zudem ein Zusammenwirken von zwei Einheiten zur Plasmaerzeugung oder besteht nur aus einer Einheit, wobei eine Einheit mehrere Plasmaquellen umfassen kann, wobei jede Plasmaquelle für sich geeignet ist, ein dichtes Plasma in einem ausgedehnten Flächenbereich (nachfolgend Plasmaschild genannt) zu erzeugen. Eine Plasmaquelle umfasst dabei im Wesentlichen eine Hohlkatode mit zugehöriger Anode, Magneteinrichtung und Stromversorgungseinrichtung. Im Minimalfall besteht eine Einheit aus einer Plasmaquelle.
• Umfasst eine Einheit mehrere Plasmaquellen, ist es vorteilhaft, die Magneteinrichtungen der einzelnen Plasmaquellen zusammengefasst als eine einzige Magneteinrichtung auszubilden, so dass sich ein magnetischer Nordpolschuh und ein magnetischer Südpolschuh über alle Plasmaquellen hinweg erstreckt. Sind die beiden Polschuhe vertikal ausgerichtet und die Plasmaquellen somit übereinanderliegend angeordnet, bedeutet dies, dass die Hohlkatoden der einzelnen Plasmaquellen vertikal gereiht an einem Polschuh oder verteilt an beiden Polschuhen angeordnet sind. Die Ausrichtung der einzelnen Hohlkatoden ist dabei jeweils horizontal.
• Zum Erläutern und Veranschaulichen des Erfindungsgedankens beziehen sich die nachfolgend verwendeten Begriffe „horizontal" und „vertikal" jeweils auf eine derartig ausgerichtete erfindungsgemäße Vorrichtung. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausrichtung beschränkt. Vielmehr kann jede in der Erfindungsbeschreibung veranschaulichte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Ganzes um eine beliebige Achse und um einen beliebigen Winkel gedreht angeordnet sein.
• Die magnetfelderzeugende Einrichtung einer Einheit erzeugt ein inhomogenes Magnetfeld, dessen Feldstärke mit wachsendem Abstand zum Bereich des Plasmavolumens zunimmt. Eine oder mehrere Hohlkatoden, je nach Anzahl der Plasmaquellen, sind seitlich außerhalb des Magnetfeldes im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet. Das magnetische Feld wird durch eine entsprechende Ausgestaltung der magnetfelderzeugenden Einrichtung bis dicht an die Katodenöffnung einer jeweiligen Hohlkatode herangeführt. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, indem ein Polschuh eine Durchbruchsöffnung aufweist, durch die hindurch eine Hohlkatode gerichtet ist.
• Der typische Abstand zwischen den Polschuhen einer Einheit im Bereich des maximalen Abstandes beider Polschuhe und damit im Bereich des schwachen Magnetfeldes beträgt 10 cm bis 50 cm und die magnetische Feldstärke beträgt in diesem Bereich 0,1 kA/m bis 50 kA/m.
• Der Einschuss von LVEB-Elektronen (LVEB = low voltage electron beam = niederenergetischer Elektronenstrahl) erfolgt in jeder einzelnen Plasmaquelle annähernd parallel zur Richtung der magnetischen Feldlinien zwischen den Polschuhen einer Einheit. Dabei werden die mit einer Anfangsenergie aus einer Hohlkatode austretenden LVEB-Elektronen in engen Schraubenbahnen um die sich an die Öffnung der Hohlkatode anschließenden magnetischen Feldlinien geführt. Die Elektronen müssen zunächst dem Verlauf der magnetischen Feldlinien folgen. Die Führung der LVEB-Elektronen im longitudinalen magnetischen Feld konzentriert die LVEB-Elektronen entlang der magnetischen Feldlinien und die Ionisierungsprozesse in diesem Bereich führen zur Bildung eines Plasmaschildes hoher Dichte. Die LVEB-Elektronen verlieren durch unelastische Stoßprozesse den Großteil ihrer Energie.
• Veranschaulicht man sich das ausgebildete Magnetfeld in einer horizontalen Ebene, können die nunmehr energiearmen Elektronen innerhalb dieser Ebene, senkrecht zu den Magnetfeldlinien, zur Anode driften, welche im Bereich des stärksten Magnetfeldes zwischen den Polschuhen angeordnet ist. Die Bewegung der Elektronen ist dabei an Zykloidenbahnen gebunden. Nur elastische oder unelastische Stoßprozesse ermöglichen die Fortsetzung der Elektronenbewegung auf einer jeweils näher an der Anode verlaufenden Feldlinie. Diese Ladungsträgerbewegung nahezu senkrecht zu den Magnetfeldlinien führt zum Aufbau eines inneren elektrischen Feldes im Plasma, welches wiederum zur Beschleunigung von Plasmaionen zum Plasmaschild hin führt. Deren Ablenkung im magnetischen Feld ist auf Grund der höheren Masse vernachlässigbar.
• Zum anderen führt die senkrecht zu den Magnetfeldlinien verlaufende Bewegung der Elektronen im magnetischen Feld zu einer vertikalen Abdrift der Elektronen. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender magnetischer Feldstärke. Er ist also besonders stark in Anodennähe. Die vertikale Richtung der Abdrift ist dabei abhängig von der Orientierung des Magnetfeldes und des elektrischen Feldes in der horizontalen Ebene. Sind Hohlkatode und eine zugehörige Anode innerhalb einer horizontalen Ebene angeordnet, verläuft der Hauptelektronenfluss zur Anode somit nicht zum sogenannten Anodenkopf, sondern zu einer vertikalen Seitenfläche der Anode. Folglich bildet sich das Plasma auch nicht nur in einer horizontalen Ebene aus, sondern weist einen vertikalen Versatz vom Plasmaschild zur Anode hin auf.
• Bei der Formgebung eines sich ausbildenden Plasmas kann dieser vertikale Versatz beeinflusst werden, indem eine Hohlkatode und eine mit dieser Hohlkatode verschaltete Anode vertikal mit einem Maß beabstandet werden.
• Dieser Effekt kann auch vermindert werden, indem ein zusätzliches Magnetfeld in Anodennähe zur Kompensation des ursprünglichen Magnetfeldes ausgebildet wird. Die Feldlinien des zusätzlichen Magnetfeldes verlaufen dabei im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des ursprünglichen Magnetfeldes, weisen jedoch die entgegengesetzte Orientierung auf. Dadurch lässt sich die resultierende Gesamtmagnetfeldstärke und somit die vertikale Abdrift der Elektronen in Anodennähe verringern.
• Die magnetische Feldstärke zwischen den Polschuhen einer Plasmaquelle wird bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung von einem sich ausbildenden Plasmaschild zur Anode hin stetig erhöht. In Anodennähe ergeben sich folglich die höchsten und im Plasmaschildbereich die geringsten magnetischen Feldstärken. Die um die magnetischen Feldlinien gyrierenden Elektronen verlagern ihren Ladungsschwerpunkt zunehmend in den Bereich schwächer werdender magnetischer Feldstärke. Damit führt ein weiterer Mechanismus zur Verdrängung des Plasmas zum Plasmaschild hin. Das ohnehin schon dichte Plasma im Bereich des Plasmaschildes wird durch die Beschleunigung von Ionen aus dem Volumen zwischen Schild und Anode sowie durch Elektronendrift im inhomogenen Magnetfeld noch verstärkt.
• Vertikal wird die Ausdehnung der Arbeitsfläche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Anzahl von Plasmaquellen einer Einheit bestimmt. In dieser Hinsicht gibt es keine prinzipielle Längenbeschränkung.
• Die Polschuhe einer Plasmaquelle bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch derart geformt sein, dass eine Homogenisierung des magnetischen Feldes im Bereich des schwachen Magnetfeldes auftritt, wobei die Feldlinien des Magnetfeldes in diesem Bereich weitgehend als Gerade verlaufen. Ein derartiger Verlauf der Magnetfeldlinien wirkt sich auch auf die Formgebung eines Plasmaschildes dahingehend aus, dass sich das Plasma entlang dieser geraden Feldlinien ausbildet und eine langgestreckte Form annimmt. Mit einem gerade ausgebildeten, langgestreckten Plasmaschild lassen sich großflächige, ebene Oberflächen vorteilhaft bearbeiten.
• Bei einer Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen optischen Sensor, welcher thermische Emissionen von der Oberfläche mindestens eines Objekts erfasst. Damit ist es möglich mittels einer Auswerteeinrichtung sicherzustellen, dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Objekts beim Ätzvorgang nicht überschritten wird. Alternativ oder auch gleichzeitig können mittels eines optischen Sensors auch charakteristische Emissionslinien aus dem Plasma erfasst werden, welches die Objektoberfläche unmittelbar umgibt, um Aufschluss über die Zusammensetzung des momentan abgetragenen Materials zu erlangen.
• Abzuätzende Objekte werden mit geeigneten Halterungen, z.B. einer Drehkorbanordnung, ins Plasma eingebracht und können mit einer negativen Biasspannung im Bereich zwischen 50 V und 3000 V, vorzugsweise 50 V bis 300 V, gegenüber dem Plasmapotential beaufschlagt werden. Zur Minimierung von Mikro-Bogenentladungen auf der Oberfläche eines Objektes ist es besonders vorteilhaft, eine mittelfrequent unipolar gepulste oder auch bipolar gepulste Biasspannung zu verwenden. Als Gegenelektrode für die Biasspannung sollte je eine Anode jeder einzelnen Plasmaquelle herangezogen werden. Das elektrische Potential einer jeweiligen Anodenelektrode steht dem Plasmapotential nahe. Wird eine Anode als Gegenelektrode für die Biasspannung verwendet, sind keine nennenswerten Verschiebungen des Plasmapotentials gegenüber den Elektrodenpotentialen, auch bei Verwendung mittelftrequent gepulster Biasspannungen, zu erwarten.
• Um die Biasspannungsversorgung eines Objektes mit mehreren Plasmaquellen in Verbindung zu bringen, kann der Anschluss zu den einzelnen Anoden zweckmäßigerweise über ein Widerstandsnetzwerk erfolgen. Bei der Dimensionierung der Widerstände ist zu beachten, dass zum einen die Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Anoden der Plasmaquellen gering bleiben im Vergleich zu den Entladungsströmen und dass die Spannungsverluste für die Biasströme im Vergleich zur Biasspannung gering bleiben.
• Werden mehrere Objekte nebeneinander im Plasma angeordnet, können diese sowohl elektrisch verbunden und mit nur einer gemeinsamen Biasspannungs-Stromversorgungseinrichtung oder mit einzelnen Biasspannungs-Stromversorgungseinrichtungen betrieben werden. Das Verwenden einzelner Biasspannungs-Stromversorgungseinrichtungen ermög licht eine Strombegrenzung auf kleinere Maximalströme und die kurzzeitige Austastung der Spannung von nur einer Stromversorgung im Falle von Mikro-Bogenentladungen an einer zu behandelnden Oberfläche, was bei hohen Anforderungen an die Defektfreiheit einer zu behandelnden Oberfläche von Vorteil sein kann.
• Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in jedem Fall eine Trennung zwischen Stromversorgungseinrichtungen) zum Erzeugen eines Plasmas und Biasspannungs-Stromversorgungseinrichtung(en). Durch kurzzeitiges Abschalten einer Biasspannung zum Unterdrücken von Mikro-Bogenentladungen an einem Objekt wird die Erzeugung des Plasmas nicht berührt. Die infolge des hochdichten Plasmas extrahierbaren hohen Ionenstromdichten im Bereich von 10 mA/cm² bis 200 mA/cm² ermöglichen es, hohe Ätzabtragsraten von über 2 μm/min auch bei verhältnismäßig niedrigen Biasspannungen bis 300 V zu erreichen. Mit derartig geringen Biasspannungen verringert sich auch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Mikro-Bogenentladungen. Auch das Ausbilden von Stoßkaskaden-Spikes, welche im Ätzprozess das Aufrauen einer Oberfläche bewirken, wird durch das Verwenden derartig niedriger Biasspannungen vermieden. So ermöglicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein störungsarmes Ätzen flächenbehafteter Objekte oder einer Anzahl von Einzelobjekten mit hoher Abtragsrate unter Aufrechterhaltung einer glatten, fehlerfreien Oberfläche.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Die Fig. zeigen:
• 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Plasmaquelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 2 eine schematische Darstellung einer Einheit,
• 3 eine schematische Darstellung einer alternativen Einheit,
• 4 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine alternativ ausgebildete Plasmaquelle,
• 5 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bestehend aus zwei Einheiten.
• In 1 ist ein horizontaler Querschnitt durch eine Plasmaquelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Plasmaätzen von flächenbehafteten Objekten schematisch dargestellt. Ein inhomogenes Magnetfeld 101 wird mittels einer Magneteinrichtung, umfassend eine magnetische Erregerspule 102 und zwei in einem Winkel zueinander angeordnete magnetische Polschuhe 103 und 104, erzeugt. Die magnetische Feldstärke wird in dem Bereich, in welchem die Polschuhe 103 und 104 am weitesten voneinander beabstandet sind, auf etwa 5 kA/m eingestellt. Dadurch ergibt sich am anderen Ende der Polschuhe zwischen den Polschuhen 103 und 104 eine Feldstärke von etwa 25 kA/m.
• Der Polschuh 104 ist im Bereich des größten Abstandes der Polschuhe 103 und 104 durchbrochen. Unmittelbar vor der Durchbruchsöffnung des Polschuhs 104, außerhalb des Magnetfeldes 101, ist eine Hohlkatode 105 in Verbindung mit einer Ringanode 106 angeordnet. Zum Zünden des Plasmas wird nur diese Ringanode 106 als Anode verwendet. Dabei wird der DC-Strom ausschließlich von einer Stromversorgungseinrichtung 107 erzeugt. Nach dem Zünden des Plasmas, d.h. die Hohlkatode 105 ist auf Emissionstemperatur aufgeheizt und brennt stabil, wird die Plasmaentladung durch Einschalten einer Stromversorgungseinrichtung 108 zu einer Anode 109 gezogen. Die Anode 109 ist im Bereich des geringsten Polschuhabstandes und somit des stärksten magnetischen Feldes zwischen den Polschuhen 103 und 104 angeordnet. Der Stromsollwert der Stromversorgungseinrichtung 108 wird etwa 10 % – 30 % niedriger eingestellt als der Sollwert der Stromversorgungseinrichtung 107. Der Differenzstrom wird der Ringanode 106 zur Stabilisierung der Entladung zugeführt. Typische Entladungsströme, die zwischen Hohlkatode 105 und Anode 109 auftreten, bewegen sich in einem Bereich zwischen 50 A und 500 A.
• Die Hohlkatode 105 benötigt einen geringen Durchfluss von Arbeitsgas, in der Regel wird das Edelgas Argon als Arbeitsgas verwendet, zur Ausbildung des Hohlkatodeneffektes. Das durch die Hohlkatode 105 strömende Gas steht jedoch auch dem Ätzprozess zur Verfügung. Der Einlass von zusätzlichem Edel- oder Inertgas, in die nicht dargestellte Prozesskammer, zur Speisung der Gasentladung erfolgt durch Einlassbohrungen 110 in der Anode 109.
• Beim Arbeitsdruck in der Prozesskammer ist zu beachten, dass dieser so niedrig wie möglich gewählt wird, um die Streuung der von der Anode 109 zu einem zu bearbeitenden Objekt beschleunigten Ionen gering zu halten und Rückstäubungen beim Sputterätzen zu minimieren, wobei die Untergrenze durch die Stabilität der Gasentladung bestimmt wird. Im praktischen Betrieb ergibt sich ein Arbeitsdruckbereich von 0,1 Pa bis 1 Pa. Im Bereich des schwächeren magnetischen Feldes baut sich ein längsgestreckter Plasmaschild 111 durch die Führung der LVEB-Elektronen im longitudinalen Magnetfeld 101 auf. Dieser von der Hohlkatode 105 ausgehende Plasmaschild 111 füllt durch Plasmadiffusion eine gewisse Breite aus. Mit dem derartig ausgebildeten Plasmaschild 111 ist es möglich an einem flächenbehafteten Objekt 112 einen Ätzabtrag mit hoher Abtragsrate zu erzielen. Die Arbeitsbreite einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die durch die Abmaße eines ausgebildeten Plasmaschildes bestimmt wird, kann durch das Aneinanderreihen von mehreren Plasmaquellen auf nahezu beliebige Maße erweitert werden.
• 2 zeigt schematisch eine Einheit 200 als vertikalen Schnitt, bei welcher drei identische Plasmaquellen 200a; 200b; 200c, mit einem Aufbau gemäß 1, übereinanderliegend angeordnet sind. Die Magneteinrichtungen der Plasmaquellen 200a; 200b; 200c sind zusammengefasst als eine einzige Magneteinrichtung ausgebildet, so dass sich zwei Polschuhe 203 und 204 über alle drei Plasmaquellen 200a; 200b; 200c hinweg erstrecken. Hohlkatoden 205a; 205b; 205c und eine jeweils zugehörige Anode 209a; 209b; 209c sind vertikal durch ein Maß Z beabstandet. Damit wird der vertikalen Drift der Elektronen entgegengewirkt. In 2 entspricht das Maß Z dem halben vertikalen Abstand von einer Hohlkatode zur nächsten. Das Maß Z kann bei anderen Ausführungsformen jedoch auch andere Größen annehmen.
• Die zum Plasmaätzen verwendbare Fläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 ergibt sich aus der Summe der einzelnen Plasmaschildflächen 211a; 211b; 211c. Dabei entscheidet der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Hohlkatoden über Homogenität und Dichte der resultierenden Gesamtplasmafläche.
• In 3 ist eine Einheit 300, bestehend aus sechs übereinanderliegenden Plasmaquellen, schematisch als vertikaler Schnitt dargestellt. Die Hohlkatoden 305a; 305b; 305c; 305d; 305e; 305f sind abwechselnd vertikal versetzt an Polschuhen 303 und 304 angeordnet. Dabei entspricht der vertikale Versatz dem halben Abstand zweier benachbarter Hohlkatoden an einem Polschuh 303 oder 304. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich die zu den Hohlkatoden 305a; 305b; 305c; 305d; 305e; 305f zugehörigen Plasmaschilde sehr eng aneinanderfügen, wodurch eine außerordentlich dichte Gesamtplasmafläche mit einer guten Homogenität erzeugt wird. Darüber hinaus kann bei einer Vorrichtung gemäß 3 ohne Verlust an Plasmahomogenität der Abstand der Polschuhe 303; 304 im Bereich des schwachen Magnetfeldes und damit die wirksame Arbeitsfläche der Vorrichtung erhöht werden.
• 4 zeigt schematisch einen horizontalen Schnitt durch eine Plasmaquelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche insgesamt drei übereinander angeordnete Plasmaquellen umfasst. Die drei identischen Plasmaquellen sind jedoch gegenüber der Darstellung gemäß 1 alternativ ausgebildet. Auch bei dieser Ausführungsform sind die Magneteinrichtungen der drei Plasmaquellen als eine gemeinsame erste Magneteinrichtung ausgebildet, welche eine magnetische Erregerspule 402 und zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Polschuhe 403 und 404 umfasst. Die Polschuhe 403; 404 sind jedoch derart geformt, dass ein sich zwischen den Polschuhen 403; 404 erstreckendes Magnetfeld 401 im Bereich des schwachen Magnetfeldes homogenisiert ausgebildet wird. Eine Homogenisierung des Magnetfeldes 401 in diesem Bereich bewirkt ebenfalls ein Homogenisieren eines sich ausbildenden Plasmaschildes 411 in dessen Formgestaltung, d.h. das Plasmaschild 411 wird zwischen den Polschuhen 403; 404 nicht mehr gewölbt, sondern den magnetischen Feldlinien entsprechend geradlinig ausgebildet. Dadurch ergeben sich Vorteile beim Bearbeiten großflächiger ebener Objekte.
• Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel werden drei Turbinenschaufeln 420 gleichzeitig einem Ätzprozess unterzogen. Aufgabe hierbei ist es, heißgaskorrosionsfeste Schutzschichten von den Turbinenschaufeln 420 zu entfernen. Die Turbinenschaufeln 420 sind dabei nebeneinander derart angeordnet, dass jede Turbinenschaufel 420 zumindest teilweise in den Plasmaschild 411 eintaucht. Ein Rotieren der Turbinenschaufeln 420 im Plasmaschild 411 gewährleistet einen gleichmäßigen Ätzabtrag auf der gesamten Oberfläche aller Turbinenschaufeln 420. Um das Beschleunigen der Ionen zur Oberfläche der Turbinenschaufeln 420 hin zu verstärken, ist an jede Turbinenschaufel 420 mittels Stromversorgungseinrichtungen 419 eine Biasspannung angelegt. Jeder Turbinenschaufel 420 ist dabei eine separate Stromversorgungseinrichtung 419 zugeordnet, welche eine jeweilige Turbinenschaufel 420 über ein Widerstandsnetzwerk 418 mit allen drei Anoden 409 (entsprechend den drei Plasmaquellen) der Vorrichtung verbindet.
• Seitlich neben der Anode 409 ist einerseits ein Polschuh 423 und andererseits ein Polschuh 424 angeordnet, welche zu einer zweiten Magneteinrichtung gehören, die außerdem noch eine magnetische Erregerspule 422 umfasst. Die zweiten Magneteinrichtungen der drei Plasmaquellen sind ebenfalls als eine gemeinsame Magneteinrichtung ausgebildet, so dass sich die Polschuhe 423; 424 über alle drei Plasmaquellen hinweg erstrecken. Die Feldlinien eines sich zwischen den Polschuhen 423; 424 ausbildenden Magnetfeldes 421 verlaufen weitgehend parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes 401, weisen jedoch die entgegen gesetzte Orientierung auf. Mit dem Magnetfeld 421 wird eine teilweise Kompensation des Magnetfeldes 401 in Nähe der Anode 409 erzielt. Die dadurch abgeschwächte magnetische Kompensationsfeldstärke in Nähe der Anode 409 ermöglicht eine vollflächige Plasmaankopplung an die Anode 409 und insbesondere an deren Kopfbereich.
• Neben einem Durchbruch für eine Hohlkatode 405 weist der Polschuh 404 drei weitere Durchbruchsöffnungen auf. Durch die Öffnungen hindurchgerichtet ist jeweils ein optischer Sensor 427, wobei jeweils ein optischer Sensor 427 auf eine Turbinenschaufel 420 ausgerichtet ist. Dabei erfasst eine Sichtlinie 428 eines optischen Sensors 427 sowohl die Oberfläche einer zugeordneten Turbinenschaufel 420 als auch das Plasma, das diese Turbinenschaufel oberflächennah umgibt. Damit lassen sich einerseits charakteristische Emissionslinien aus dem Plasma erfassen, welche Auskunft über die Zusammensetzung des abgetragenen Materials geben und andererseits ein thermisches Emissionsspektrum von der Oberfläche der Turbinenschaufel 420 erfassen, welches Auskunft über die Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel 420 gibt. Beide Parameter werden kontinuierlich mittels der optischen Sensoren 427 erfasst, über ein optisches Leitsystem an eine Einrichtung 429 übertragen und dort mittels Filter separiert und bezüglich Materialzusammensetzung und Oberflächentemperatur evaluiert.
• In 5 ist der Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, welche zwei Einheiten 500A und 500B aufweist. Die Anzahl der Plasmaquellen, welche die Einheiten 500A bzw. 500B jeweils umfassen, ist nicht begrenzt. Beide Einheiten 500A; 500B sind gegenüberliegend derart angeordnet, dass sich ein Plasmaschild einer Plasmaquelle der Einheit 500A und ein Plasmaschild einer gegenüberliegenden Plasmaquelle der Einheit 500B berühren bzw. durchdringen. Die Plasmaquellen beider Einheiten umfassen jeweils die gleichen Bestandteile. Eine Plasmaquelle der Einheit 500A ist jedoch spiegelbildlich bezüglich einer gegenüberliegenden Plasmaquelle der Einheit 500B ausgebildet, so dass die Magnetfelder beider Einheiten die gleiche Orientierung aufweisen. Spiegelfläche bildet hierbei eine vertikale Ebene 530 zwischen beiden Einheiten.
• Diese Vorrichtung ist besonders vorteilhaft für eine gleichzeitige, zweiseitige Ätzbehandlung eines plattenartigen Objektes 512 geeignet. Das Objekt 512 wird während der Behandlung in der Ebene 530 angeordnet bzw. in dieser Ebene zwischen beide Einheiten hindurch bewegt. Bei einer derartigen spiegelbildlichen Anordnung homogenisiert sich das Magnetfeld im Bereich der Ebene 530 durch die gegenseitige Aufhebung der senkrecht zur Ebene 530 gerichteten Magnetfeldkomponenten. Das in der Ebene 530 somit homogenisierte Magnetfeld führt zu einer gleichmäßigen Plasmaeinwirkung auf das Objekt 512 in Richtung der Feldlinien. Das gegenüber einer Einzeleinheit noch dichtere Plasma und die zweiseitige Plasmaeinwirkung kann auch vorteilhaft bei der Oberflächenbehandlung von vorzugsweise konvex geformten, dreidimensional ausgebildeten Objekten verwendet werden.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum reaktiven oder nichtreaktiven Plasmaätzen von mindestens einem flächenbehafteten Objekt, bestehend aus einer Einheit oder zwei Einheiten, wobei eine jeweilige Einheit mindestens eine Plasmaquelle aufweist, welche mindestens eine Hohlkatode (105) mit zugehöriger Anode (109), Stromversorgungseinrichtung (107; 108) und Magneteinrichtung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung mindestens zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Polschuhe (103; 104) umfasst, mit welchen ein inhomogenes Magnetfeld (101) erzeugbar ist; wobei die Hohlkatode (105) unmittelbar außerhalb oder im Randbereich des Magnetfeldes (101) im Bereich des schwächeren Magnetfeldes angeordnet ist und die Anode (109) im Bereich des stärkeren Magnetfeldes angeordnet ist, wobei die Hohlkatode (105) im Wesentlichen parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes (101) im Bereich des schwächeren Magnetfeldes ausgerichtet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorhandensein zweier Einheiten (500A; 500B) diese derart ausgerichtet sind, dass die Seiten der Einheiten mit dem schwächeren Magnetfeld einander zugewandt sind und zwischen den Einheiten (500A; 500B) ein Raum verbleibt, wobei sich die magnetischen Südpolschuhe und die magnetischen Nordpolschuhe beider Einheiten im Wesentlichen spiegelbildlich gegenüberstehen.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Edelgas, Inertgas oder Reaktivgas durch Kanäle (110) innerhalb einer Anode (109) oder durch Gaseinlässe in Nähe der Anode (109) einlassbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Einheit (200; 300), welche mehrere Plasmaquellen umfasst, die Magneteinrichtungen der Plasmaquellen als eine einzige Magneteinrichtung ausgebildet sind, so dass sich ein magnetischer Nordpolschuh (203; 303) und ein magnetischer Südpolschuh (204; 304) über alle Plasmaquellen der Einheit (200; 300) hinweg erstrecken.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden der Einheit (200) entlang eines Polschuhs (204) der Einheit (200) gereiht angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden der Einheit (300) entlang beider Polschuhe (303; 304) der Einheit (300) gereiht angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Stromversorgungseinrichtung (419) umfasst, mittels derer zwischen mindestens einem zu bearbeitenden Objekt (420) und mindestens einer Anode (409) eine Vorspannung als Gleichspannung oder unipolar bzw. bipolar mittelfrequent gepulste Spannung anlegbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim gleichzeitigen Bearbeiten von mehreren Objekten jedes Objekt (420) mit einer separaten Stromversorgungseinrichtung (419) für das Erzeugen einer Vorspannung verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromversorgungseinrichtung (419) für das Erzeugen einer Vorspannung über ein Widerstandsnetzwerk (418) mit mindestens einer Anode (409) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bearbeitende Objekt (420) zumindest teilweise im Bereich eines dichten Plasmas (411) angeordnet ist und mittels geeigneter Trägereinrichtungen drehbar und/oder schwenkbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (427) für optische Signale mit Sicht auf das oberflächennahe Plasma eines Objekts (420) angeordnet ist, wobei das Objekt (420) bezüglich der Zusammensetzung des abgetragenen Materials anhand charakteristischer Emissionslinien kontrollierbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (427) für optische Signale mit Sicht auf die Oberfläche eines Objekts (420) angeordnet ist, wobei das Objekt (420) bezüglich der Oberflächentemperatur anhand der emittierten Wärmestrahlung kontrollierbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichzeitiger Bearbeitung mehrerer im Plasma angeordneter bzw. bewegter Objekte optische Emissionssignale mittels mindestens eines starr angeordneten optischen Sensors, umfassend mehrere Kollimatoren, erfassbar sind, wobei die aktuellen Emissionswerte aus dem oberflächennahen Plasma eines Objekts und/oder von der Objektoberfläche mittels einer Auswerteeinrichtung dem Objekt zuordenbar sind, welches sich zu einem jeweiligen Zeitpunkt im Bereich der Sichtlinie eines Kollimators befindet.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (403; 404) derart geformt sind, dass das Magnetfeld (401) im Bereich des schwachen Magnetfeldes homogenisiert ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Anode (409) mittels einer Einrichtung ein zusätzliches lokales Magnetfeld (421) erzeugbar ist, dessen Feldlinien im Wesentlichen parallel zum Magnetfeld (201) zwischen den Polschuhen (403; 404) verlaufen, jedoch die entgegengesetzte Feldrichtung aufweisen, so dass in Anodennähe eine geringe magnetische Gesamtfeldstärke resultiert.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlkatode (205a) und eine zugehörige Anode (209a) in einer senkrecht zu magnetischen und elektrischen Feldlinien verlaufenden Richtung mit einem Maß Z beabstandet sind.