DE102006020291A1

DE102006020291A1 - Plasmaquelle

Info

Publication number: DE102006020291A1
Application number: DE200610020291
Authority: DE
Inventors: Gregor Dr. Preiß
Original assignee: IPT IONEN und PLASMATECHNIK GM; IPT IONEN- und PLASMATECHNIK GmbH
Current assignee: IPT IONEN und PLASMATECHNIK GM; IPT IONEN- und PLASMATECHNIK GmbH
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasmaquelle mit einem von einem Plasmagefäß umgebenen Plasmaraum (2) und einer Einrichtung (3) zur Zuführung eines Prozessgases in den Plasmaraum (2), welches dort durch elektrische Gasentladung ionisiert wird. Bei einer solchen Plasmaquelle wird das zu ionisierende Prozessgas durch die auf Hochfrequenz-Potenzial liegende Ankoppelelektrode in den Plasmaraum geleitet. Dabei kann es insbesondere wegen der räumlichen Nähe der Hochfrequenzankopplung und der Prozessgas-Zufuhrleitungen zur Bildung von parasitären Plasmen in der Anode (Ankoppelelekektrode ) und sogar in den Prozessgas-Zufuhrleitungen kommen. Zur Vermeidung solcher parasitärer Plasmen in der Ankoppelelektrode und/oder den Prozessgaszufuhrleitungen ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Einrichtung (3) zur Zuführung des Prozessgases ein metallischer Block (4) ist, in dem mindestens ein Gaskanal (5) verläuft mit mindestens zwei Kanalbereichen (5a, 5b), die unter einem Winkel α ineinander münden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmaquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Plasmaquelle ist aus der EP 0 349 556 B1 bekannt. Darin ist eine Plasmaquelle beschrieben, aus der ein Plasmastrahl beispielsweise zur Abtragung und Strukturierung von Festkörperoberflächen, zur Herstellung von Oberflächendotierungen durch Teilchenbeschuss und zum Erzeugen von Oberflächenschichten extrahiert werden kann. Die Plasmaquelle umfasst ein Plasmagefäß, welches einen Plasmaraum umgibt, sowie zwei großflächige Elektroden, die über ein Anpassungsnetzwerk mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden sind, wobei die Flächen der Elektroden so gewählt sind, dass nahezu die gesamte Hochfrequenzspannung an der einen, als feines Gitter ausgebildeten Extraktionselektrode abfällt. Die andere Elektrode dient als Ankoppelelektrode, an der die Hochfrequenzspannung zugeführt wird. Die Extraktionselektrode liegt auf Erdpotential. Das Plasmagefäß ist topfförmig ausgebildet und weist eine Öffnung auf, in der die als feines Gitter oder Netz ausgebildete Extraktionselektrode angeordnet ist. Bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Ankoppelelektrode und Zuführen eines Prozessgases in den Plasmaraum wird dort durch elektrische Gasentladung ein Plasma gezündet. Da sich das Plasma gegenüber der Extraktionselektrode von selbst auf ein höheres, positives Plasmaionenpotential legt, (sog. self biasing effekt) werden Ionen dieses Plasmas auf die im Kontakt mit dem Plasma stehende Extraktionselektrode hin beschleunigt.
Die auf die gitter- bzw. netzförmige Extraktionselektrode hin beschleunigten Ionen treten durch die Extraktionselektrode hindurch. Der so durch die Extraktionselektrode extrahierte Ionenstrom wird durch einen im Takt der Hochfrequenz fließenden Elektronenstrom gleicher Höhe zur Kompensation des Ionenstroms überlagert, so dass insgesamt ein elektrisch neutraler Plasmastrahl aus der Plasmaquelle extrahiert wird.
Bei einer derartigen Plasmaquelle wird das zu ionisierende Prozessgas durch die auf Hochfrequenz-Potential liegende Ankoppelelektrode in den Plasmaraum geleitet. Dabei kann es insbesondere wegen der räumlichen Nähe der Hochfrequenzankopplung und der Prozessgas-Zufuhrleitungen zur Bildung von parasitären Plasmen in der Anode (Ankoppelelektrode) und sogar in den Prozessgas-Zufuhrleitungen kommen. Dies führt mittelbar oder unmittelbar zu Prozessunregelmäßigkeiten und manchmal auch zu Undichtigkeiten in den Prozessgas-Zufuhrleitungen und damit zu Prozessunterbrechungen oder -ausfällen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Plasmaquelle bereit zu stellen, bei der es nicht zu parasitären Plasmen in der Ankoppelelektrode und/oder den Prozessgaszufuhrleitungen kommen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Plasmaquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Plasmaquelle sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Plasmaquelle weist einen von einem Plasmagefäß umgebenen Plasmaraum, sowie eine Einrichtung zur Zuführung des Prozessgases in den Plasmaraum auf, welches dort durch elektrische Gasentladung ionisiert und in ein Plasma überführt wird. Gemäß der Erfindung ist die Einrichtung zur Zuführung des Prozessgases ein metallischer Block, in dem mindestens ein Gaskanal verläuft mit mindestens zwei Kanalbereichen, die unter einem Winkel α ineinander münden. Der Winkel α liegt bevorzugt zwischen 45° und 135° und beträgt in den bevorzugten Ausführungsformen 90°.
Durch die Unterteilung des Gaskanals in mehrere Kanalbereiche, die unter einem Winkel miteinander in Verbindung stehen, wird vermieden, dass das Plasma, das in dem Plasmaraum brennt, in den Gaskanal und die daran angeflanschten Gaszuführungsleitungen durchschlägt und dort parasitäre Plasmen erzeugt. Dadurch werden Prozessunregelmäßigkeiten und insbesondere auch ein Durchbrennen der an den Gaskanal angeschlossenen Gaszufuhrleitungen, welche in der Regel aus Kunststoff- oder Gummischläuchen bestehen, verhindert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei Bezug genommen wird auf die begleitenden Zeichnungen. Diese zeigen:
1: schematische Darstellung einer Plasmaquelle nach der Erfindung, teilweise zur verbesserten Darstellung im Aufriss;
2: Draufsicht (2a) und Querschnitt (2b) einer Einrichtung zur Zuführung des Prozessgases in einer ersten Ausführungsform;
3: Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung zur Zuführung des Prozessgases;
4: Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Einrichtung zur Zuführung des Prozessgases;
5: Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der Einrichtung zur Zuführung des Prozessgases;
Die in 1 gezeigte Plasmaquelle umfasst ein Außengehäuse 23, in dem ein Innenrohr 13 angeordnet ist. In dem Innenrohr 13 ist eine topfförmige Anode 1 ausgebildet welche einen Plasmaraum 2 umgibt. Die topfförmige Anode 1 bildet ein Plasmagefäß, in dem bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Anode 1 ein im Plasmaraum 2 befindliches Prozessgas durch elektrische Gasentladung ionisiert wird. Die Anode 1 ist aus einem elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Edelstahl oder Aluminium und auf ihrer Innenfläche mit einem isolierenden Material, bspw. einer Keramik, beschichtet, um zu verhindern, dass sich während des Prozesses Anodenmaterial von der Anode 1 löst und das sich in dem Plasmaraum 2 ausbildende Plasma verunreinigt. Auf dem Topfboden der Anode 1 ist eine Einrichtung 3 zur Zuführung eines Prozessgases in den Plasmaraum 2 angeordnet. Die Einrichtung 3 zur Zuführung des Prozessgases in den Plasmaraum 2 ist von einem metallischen Block 4 gebildet, der gleichzeitig zur Einkopplung einer Hochfrequenzspannung an die Anode 1 dient. Hierzu ist an dem metallischen Block 4 eine Hochfrequenzankopplung 12 vorgesehen, welche über ein Anpassnetzwerk an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen wird. Zur Zuführung des Prozessgases, welches beispielsweise ein Gemisch aus Sauerstoff und Argon sein kann, in den Plasmaraum 2 sind in dem metallischen Block 4 Gaskanäle 5 angeordnet, die in den Querschnittszeichnungen der 2b und 3 bis 5 zu sehen sind. Diese Gaskanäle 5 stehen mit einem Gaseinlassstutzen 6, der auf der Oberseite des metallischen Blocks 4 angeordnet ist, in Verbindung. An den Gaseinlassstutzen 6 wird eine hier nicht zeichnerisch dargestellte Gaszufuhrleitung angeschlossen, welche mit einem Gasreservoir in Verbindung steht.
An der (in 1 nach unten weisenden) offenen Seite der topfförmigen Anode 1 ist eine Auskoppelelektrode 11 angeordnet. Bei der Auskoppelelektrode 11 handelt es sich um ein Gitter oder um eine Anordnung von dünnen, metallischen Drähten, welches bzw. welche in einem Rahmen 18 eingespannt sind. Der Rahmen 18 dient dazu, das Gitter beziehungsweise die Drähte der Auskoppelelektrode 11 möglichst plan in einer Ebene zu halten. Der Rahmen 18 ist an der stirnseitigen Öffnung eines ringförmigen Liners 19 angeordnet und an dem Außengehäuse 23 befestigt. Der Liner 19 ist in den unteren Teil des Innenrohrs 13 eingeschoben, wobei zur besseren Darstellung in 1 der Rahmen 18 mit der darin eingespannten Auskoppelelektrode 11, der Liner 19 und das Innenrohr 13 nach Art einer Explosionsdarstellung auseinander gezogen dargestellt sind. Der Liner 19 begrenzt den unteren Teil des Plasmaraums 2 und steht damit mit dem Plasma in Verbindung. Um zu verhindern, dass sich während des Prozesses Material von der Innenfläche des Liners 19 ablösen kann ist auch dieser auf seiner Innenfläche (wie die Innenfläche der Anode 1) mit einem isolierenden Material beschichtet. Zur Formung des Plasmastrahls sind auf der Außenseite des Innenrohrs 13 Magnete 20 angeordnet.
In den 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen der Einrichtung 3 zur Zuführung des Prozessgases in den Plasmaraum 2 gezeigt.
2a zeigt die Einrichtung 3 zur Zuführung des Prozessgases in einer Draufsicht. Diese Draufsicht stimmt mit den entsprechenden Ansichten der anderen Ausführungsformen der 3 bis 5 überein.
Die Einrichtung 3 zur Zuführung des Prozessgases ist von einem metallischen Block 4 gebildet, der bevorzugt aus Stahl besteht und auf seiner Außenseite mit einem hochleitfähigen Material, beispielsweise Silber oder Gold, beschichtet ist. Der metallische Block 4 ist gegenüber dem auf Erdpotential liegenden Innenrohr 13 elektrisch isoliert und steht mit der Anode 1 elektrisch in Verbindung. Aus 2a ist der auf der Oberseite des metallischen Blocks 4 angeordnete Gaseinlassstutzen 6 sowie die Hochfrequenzankopplung 12 zu erkennen. Wie in 2b gezeigt ist die Hochfrequenzankopplung 12 als Sackbohrung mit einem Innengewinde im Zentrum des metallischen Blocks 4 ausgebildet. In das Innengewinde der Hochfrequenzankopplung 12 kann eine Buchse eingeschraubt werden, die den metallischen Block 4 über ein Anpassnetzwerk mit einem Hochfrequenzgenerator verbindet.
Zusätzlich zu dem Gaseinlassstutzen 6 und der Hochfrequenzankopplung 12 sind an der Oberseite des metallischen Blocks 4 Anschlussstutzen 21 und 22 für eine Wasserkühlung des metallischen Blocks 4 vorgesehen. Die Anschlussstutzen 21 und 22 stehen mit einem Kühlkanal 9 in Verbindung, der in dem metallischen Block 4 verläuft. Bei dem Kühlkanal 9 handelt es sich bevorzugt um einen Ringkanal, der in der Peripherie des zylindrischen Blocks 4 verläuft und dort als Einfräsung im Zylinder des metallischen Blocks 4 ausgebildet ist. Die Einfräsung, die aus 2b ersichtlich ist, ist zur Bildung des Ringkanals durch eine hier nicht zeichnerisch dargestellte metallische Wandung verschlossen, welche mit dem metallischen Block 4 verschweißt ist.
In den 2b und 3 bis 6 sind verschiedene Ausführungsformen der Einrichtung 3 zur Zuführung des Prozessgases jeweils im Querschnitt dargestellt.
Bei der ersten, in 2b gezeigten Ausführungsform weist der Gaskanal 5, der in dem metallischen Block 4 verläuft und an dessen Oberseite mit dem Gaseinlassstutzen 6 in Verbindung steht, einen ersten, vertikal angeordneten Kanalbereich 5a und einen zweiten, horizontalen Kanalbereich 5b auf. Der Kanalbereich 5b steht mit dem Kanalbereich 5a unter einem rechten Winkel in Verbindung und mündet ebenfalls rechtwinklig in einen Gasauslass 7, der im Zentrum und längs der Mittelachse des zylindrischen Blocks 4 vertikal verlaufend angeordnet ist und an der Unterseite aus dem metallischen Block 4 in eine Bohrung in der Anode 1 und damit in den Plasmaraum 2 mündet. Das über den Gaseinlassstutzen 6 in den Gaskanal 5 eingeführte Prozessgas strömt durch den Gasauslass 7 aus dem metallischen Block 4 aus und durch die Bohrung in der Anode 1 in den Plasmaraum 2, in dem das Plasma durch elektrische Gasentladung bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Anode 1 gezündet wird. Zur Homogenisierung des durch die Bohrung 8 in den Plasmaraum 2 einströmenden Prozessgases ist im Plasmaraum 2 unterhalb und nahe der Bohrung in der Anode 1 eine Gasdusche 9 vorgesehen. Bei der Gasdusche 9 kann es sich beispielsweise um eine unterhalb der Bohrung angeordnete Prallplatte handeln, auf welche das einströmende Prozessgas auftrifft und radial nach außen umgelenkt wird, um sich möglichst gleichmäßig im Volumen des Plasmaraums 2 zu verteilen.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der Einrichtung 3 zur Zuführung des Prozessgases in den Plasmaraum 2 ist neben dem ersten Gaskanal 5 ein weiterer Gaskanal 6 vorgesehen, der ebenso wie der erste Gaskanal 5 mit einem Gaseinlassstutzen 16 in Verbindung steht. Der erste Gaskanal 5 und der zweite Gaskanal 6 stehen über einen horizontal in dem metallischen Block 4 verlaufenden Verbindungskanal 17 in Verbindung.
Der Gaskanal 5 umfasst wie bei dem Ausführungsbeispiel von 2 einen ersten, vertikal angeordneten Kanalbereich 5a und einen zweiten, horizontal verlaufenden Kanalbereich 5b, welche rechtwinklig ineinander münden. Der horizontal verlaufende Gaskanal 5b steht wiederum mit einem Gasauslass 7 in Verbindung.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls zwei Gaskanäle 5 und 6 vorgesehen, welche jeweils wiederum mit einem Gaseinlassstutzen 15 bzw. 16 in Verbindung stehen und miteinander über einen horizontalen Verbindungskanal 17 verbunden sind. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel der 4 sind die beiden Gaskanäle 5 und 6 jedoch in derselben Hälfte des zylindrischen Blocks 4 angeordnet und somit näher beieinander als bei dem Ausführungsbeispiel der 4, bei dem die Gaskanäle 5 und 6 bezüglich der Mittelachse A des zylindrischen Blocks 4 diametral gegenüber liegen.
Eine weitere Variante für die Führung des Gaskanals 5 ist in dem Ausführungsbeispiel von 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein einziger Gaskanal 5 vorgesehen, der treppenförmig ausgebildet ist und an seinem oberen Ende mit dem Gaseinlassstutzen 15 und an seinem unteren Ende mit dem Gasauslass 7 in Verbindung steht. Der Gaskanal 5 setzt sich somit aus mehreren vertikalen Kanalbereichen 5a und dazwischen liegenden horizontalen Kanalbereichen 5b zusammen, wie in 6 gezeigt.
Um eine möglichst hohe Fließgeschwindigkeit des Prozessgases in den Gaskanälen 5 bzw. 6 zu gewährleisten sind deren Durchmesser klein gewählt, typischerweise kleiner als 4 mm. In erster Näherung ist aufgrund der Kontinuitätsgleichung die Durchflussgeschwindigkeit des durch die Gaskanäle strömenden Gases proportional zu dem reziproken Flächenverhältnis der vom Gas durchflossenen Querschnittsflächen. Durch Reduktion der Querschnittsflächen in den Zuleitungen auf hier typische Werte von weniger als 4 mm steigt die Durchflussgeschwindigkeit in den Zuleitungen an. Ab einem Flächenverhältnis von 1:100 ist die Fließgeschwindigkeit in den Zuleitungen derart erhöht, dass ein Durchschlagen bzw. „Zurückbrennen" des Plasmas in die Zuleitungen nahezu ausgeschlossen wird. Da hochfrequente Wechselfelder vornehmlich über Leiteroberflächen verlaufen, wird zudem durch die Aufteilung der Gaskanäle 5 bzw. 6 in einzelne Bereiche, welche winklig miteinander in Verbindung stehen, die Abbaustrecke der Hochfrequenz im Innern der Gaskanäle erhöht, wodurch verhindert wird, dass das Plasma aus dem Plasmaraum 2 in die Zuleitungen, also die Gaskanäle 5 bzw. 6, durchschlägt.

Claims

Plasmaquelle mit einem von einem Plasmagefäß umgebenen Plasmaraum (2) und einer Einrichtung (3) zur Zuführung eines Prozessgases in den Plasmaraum (2), welches dort durch elektrische Gasentladung ionisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur Zuführung des Prozessgases ein metallischer Block (4) ist, in dem mindestens ein Gaskanal (5) verläuft mit mindestens zwei Kanalbereichen (5a, 5b), die unter einem Winkel α ineinander münden.
Plasmaquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α zwischen 45° und 135° liegt und bevorzugt 90° beträgt.
Plasmaquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Gaskanal (5) eingangsseitig mit einem Gaseinlassstutzen (6) in Verbindung steht, an den ein Gasschlauch anschließbar ist.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Gaskanal (5) ausgangsseitig in einen Gasauslass (7) mündet, von dem aus das Prozessgas durch eine Bohrung im Plasmagefäß in den Plasmaraum (2) geleitet wird.
Plasmaquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Plasmagefäßes eine Gasdusche (9) angeordnet ist, welche das durch die Bohrung einströmende Prozessgas räumlich homogenisiert.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (5) treppenförmig ausgebildet ist mit einer Mehrzahl von rechtwinklig zueinander angeordneten und miteinander in Verbindung stehende vertikale Kanalbereiche (5a) und horizontale Kanalbereiche (5b).
Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (5) L-förmig ausgebildet ist mit einem ersten vertikalen Kanalbereich (5a) und einem zweiten, horizontalen Kanalbereich (5b).
Plasmaquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein weiterer Gaskanal (15) mit einem Gaseinlassstutzen (16) vorgesehen ist, der mit dem Gaskanal (5) über einen Verbindungskanal (17) in Verbindung steht.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem metallischen Block (4) mindestens ein Kühlkanal (9) angeordnet ist, welcher mit einem Kühlfluidkreislauf in Verbindung steht.
Plasmaquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Block (4) zylindrisch ist und dass es sich bei dem oder jedem Kühlkanal (9) um einen Ringkanal handelt, welche in der Peripherie des zylindrischen Blocks (4) verläuft.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Block (4) auf seiner Außenseite eine Beschichtung aus einem elektrisch hochleitfähigen Material, insbesondere Silber oder Gold, aufweist.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Gaskanal (5, 15) einen Querschnitt von weniger als 4 mm aufweist.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Hochfrequenz-Plasmaquelle handelt mit einer Anode (1) und einer Extraktionselektrode (11) wobei die Anode (10) über den metallischen Block (4) mit einer Hochfrequenzspannung beaufschlagt wird, wofür der metallische Block (4) über einen Hochfrequenz-Anschluß (12) verfügt.
Plasmaquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagefäß zumindest teilweise von der topfförmig ausgebildeten Anode (1) gebildet wird.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagefäß abnehmbar an dem metallischen Block (4) befestigt ist.