DE102006062710A1

DE102006062710A1 - Plasmaquelle

Info

Publication number: DE102006062710A1
Application number: DE102006062710A
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: 2007-11-15
Also published as: DE102006020290A1; DE102006020290B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasmaquelle mit einem auf Erdpotential liegenden Gehäuse (1), einem darin angeordneten Plasmagerät, welches einen Plasmaraum (2) umgibt und mit einer Anode (6) sowie einer Einrichtung (3) zur Zuführung einer Hochfrequenzspannung an die Anode (6), welche einen elektrisch mit der Anode (6) in Verbindung stehenden und durch eine Isolierung (5) gegenüber dem Gehäuse (1) elektrisch isolierten Metallblock (4) umfasst, der über eine Ankopplungseinrichtung (7) zur elektrischen Verbindung mit einem Hochfrequenzgenerator verfügt, wobei bei angelegter Hochfrequenzspannung in dem Plasmaraum (2) durch elektrische Gasentladung ein darin befindliches Prozessgas ionisiert wird. Um eine möglichst effiziente und verlustfreie Einkopplung der Hochfrequenzspannung über die Einrichtung (3) an die Anode (6) zu erzielen, ist auf der Außenseite des Metallblocks (4) eine Beschichtung aus einem elektrisch hochleitfähigen Material, insbesondere Silber oder Gold, vorgesehen.

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 Extrationselektrode 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.
Aus der DE 37 08 716 A1 ist weiterhin eine Hochfrequenz-Ioenquelle zur Erzeugung von großflächigen Ionenstrahlen bekannt, welche ein Plasmagefäß für das zu ionisierende Gas aufweist, welches rohrförmig ausgebildet und zwischen einer Trägerplatte und einer Abschlussplatte geklemmt ist, wobei bei niedrigem Gasdruck durch induktive Hochfrequenzeinkopplung das in dem Plasmagefäß befindliche Prozessgas durch Elektronenzyklotronwellen-Resonanz ionisiert wird. Eine weitere Plasmaquelle ist aus der WO 01/63981 A1 bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Plasmaquelle bereitzustellen, bei der eine effiziente Einkopplung von Energie in den Plasmaraum gewährleistet und gleichzeitig das Gehäuse der Plasmaquelle auf Erdpotential gelegt werden kann, um ein gefahrloses Arbeiten mit der Plasmaquelle zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Plasmaquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Plasmaquelle sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug genommen wird auf die begleitenden Zeichnungen. Diese zeigen:
1: Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Plasmaquelle;
2: Detaildarstellung der Einrichtung zur Zuführung der Hochfrequenzspannung an die Anode der Plasmaquelle von 1 in einer perspektivischen Schnittansicht.
Die in 1 im Schnitt dargestellte Plasmaquelle umfasst ein Gehäuse 1, bestehend aus einem metallischen Rohr 1a, welches an seiner oberen Stirnseite von einem Deckel 1b abgedeckt ist. Der Deckel 1b weist eine zentrale, kreisförmige Öffnung auf. In dem Gehäuse 1 ist ein Plasmagefäß angeordnet, welches einen Plasmaraum (2) umgibt. Das Plasmagefäß wird bei dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel von einer becherförmigen Anode 6 gebildet, über welche Energie zur Ionisierung des in dem Plasmaraum 2 befindlichen Prozessgases einkoppelbar ist. Anders als bei der hier zeichnerisch dargestellten Ausführungsform können das Plasmagefäß, welches den Plasmaraum 2 umgibt, und die Anode 6 auch durch getrennte Bauteile ausgebildet sein, insbesondere kann die Anode auf der Außenseite des Plasmagefäßes angeordnet sein.
Die becherförmige Anode 6 weist eine Becherwand 6a und einem scheibenförmigen Boden 6b auf. Die Anode 6 ist konzentrisch in dem metallischen Rohr 1a des Gehäuses 1 so angeordnet, dass die Öffnung der becherförmigen Anode 6 nach unten weist, wie in 1 dargstellt. Die Anode 6 ist aus einem Metall hergestellt, beispielsweise. Edelstahl oder Aluminium und die Innenflächen der Anode sind mit einem elektrisch nicht leitenden Material beschichtet, beispielsweise einer Keramik. Bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Anode 6 wird im Innern der Anode 6 ein darin befindliches Prozessgas ionisiert. Das Innere der becherförmigen Anode 6 stellt damit den eigentlichen Plasmabrennraum dar. Die Beschichtung der Innenseite der Anode 6 soll verhindern, dass sich während des Prozesses Anodenmaterial von der Anode 6 löst und das sich in dem Plasmaraum 2 ausbildende Plasma verunreinigt.
Auf der Außenseite des Bodens 6b der Anode 6 ist eine Einrichtung 3 zur Zuführung einer Hochfrequenzspannung an die Anode 6 angeordnet. Bei dieser Einrichtung 3 handelt es sich um einen Metallblock 4, der mit der Anode 6 elektrisch in Verbindung steht. Die Einrichtung 3 dient zum einen zur Zuführung einer Hochfrequenzspannung an die Anode 6 und gleichzeitig zur Zuführung des Prozessgases in den Plasmaraum 2. Zur Zuführung der Hochfrequenz an die Anode 6 ist an der Einrichtung 3 eine Ankopplungseinrichtung 7 vorgesehen, über welche der Metallblock 4 über ein Anpassnetzwerk mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden werden kann. Bei der Ankopplungseinrichtung 7 handelt es sich um eine Sackbohrung im Zentrum des zylinderförmigen Metallblocks 4, welche mit einem Innengewinde versehen ist. In das Innengewinde kann eine Buchse eingeschraubt werden, die den Metallblock 4 über ein zwischengeschaltetes Anpassnetzwerk mit einem Hochfrequenzgenerator verbindet.
Zur Zuführung des Prozessgases in den Plasmaraum 2 sind in dem Metallblock Gaskanäle 11 ausgebildet, welche der Schnittdarstellung der 2 zu entnehmen sind. Die Gaskanäle 11 stehen über einen Gaseinlassstutzen 12 mit einem Reservoir eines Prozessgases, beispielsweise ein Gemisch aus Sauerstoff und Argon, in Verbindung. Die Gaskanäle 11 münden in einen Gasauslass 13, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Zentrum des Metallblocks 4 angeordnet ist. Der Gasauslass 13 kommuniziert mit einer Gaseinlassöffnung im Boden 6b der Anode 6, so dass das von dem Gasreservoir kommende Prozessgas über den Gaseinlassstutzen 12, die Gaskanäle 11 und den Gasauslass 13 sowie die Gaseinlassöffnung in das Innere der becherförmigen Anode 6, also in den Plasmaraum 2, strömen kann. Zur Vergleichmäßigung des Gasstroms in den Plasmaraum ist unterhalb der Gaseinlassöffnung eine Gasdusche 14, beispielsweise in Form einer Prallplatte, vorgesehen.
Zur Kühlung der Einrichtung 3 ist in dem Metallblock 4 ein Kühlkanal 9 vorgesehen, der mit zwei Anschlussstutzen 15 (von denen in den Zeichnungen jeweils nur einer dargestellt ist) in Verbindung steht. An die Anschlussstutzen 15 wird ein Zu- und ein Ablauf eines Kühlfluidkreislaufs angeschlossen, um den Kühlkanal 9 mit einem Kühlfluid, insbesondere Kühlwasser, zu versorgen. Bei dem Kühlkanal 9 handelt es sich bevorzugt um einen Ringkanal, der in der Peripherie des zylindrischen Metallblocks 4 verläuft und dort als Einfräsung ausgebildet ist, welche durch eine metallische, mit dem Metallblock 4 verschweißte Kanalwandung 9a verschlossen ist.
An der (in 1 nach unten weisenden) offenen Seite des topfförmigen Gehäuses 1 ist eine Auskoppelelektrode 16 angeordnet. Bei der Auskoppelelektrode 16 handelt es sich um ein Gitter oder um eine Anordnung von parallel zueinander verlaufenden, dünnen, metallischen Drähten, beispielsweise aus Wolfram. Diese Gitter- bzw. Drahtanordnung ist in einen Spannrahmen 17 eingespannt. Der Spannrahmen 17 dient dazu, das Gitter bzw. die Drähte der Auskoppelelektrode 16 möglichst plan in einer Ebene zu halten. Der Spannrahmen 17 ist an der stirnseitigen Öffnung eines ringförmigen Liners 18 angeordnet und an einem hier nicht zeichnerisch dargestellten Außengehäuse befestigt, in welches die gesamte in 1 dargestellte Plasmaquelle eingefügt ist. Der untere Teil der becherförmigen Anode 6 ist in den ringförmigen Liner 19 eingeschoben. Da die Innenfläche des Liners 19 einen Teil des Plasmaraums 2 umgibt und daher mit dem brennenden Plasma in Berührung kommt, ist auch die Innenfläche des Liners 19 (wie die Innenfläche der Anode 6) mit einem isolierenden Material beschichtet, um eine Kontamination des Plasmas zu vermeiden. Zur Formung des Plasmastrahls, der über die Auskoppelelektrode 16 aus der Plasmaquelle extrahiert werden kann, sind auf der Außenseite des Gehäuses 1 hier zeichnerisch nicht dargestellte Magnete angeordnet.
An der Oberseite des Gehäuses 1 ragt der Metallblock 4 aus der Öffnung im Deckel 1b des Gehäuses heraus. Zur elektrischen Isolation des auf Hochfrequenzpotential liegenden Metallblocks 4 gegenüber dem auf Erdpotential liegendem Gehäuse 1 ist eine Isolierung 5 zwischen dem Metallblock 4 und dem Deckel 1b des Gehäuses 1 vorgesehen. Die Isolierung 5 ist von einem Isolierring 5a aus elektrisch nicht leitfähigem Material, insbesondere einer Keramik, gebildet, der zwischen einem oberen Metallring 5b und einem unteren Metallring 5c eingebettet ist (2). Der Isolierring 5a weist eine Dicke von einigen mm auf und ist damit wesentlich dicker als die Metallringe 5b und 5c. Der obere Metallring 5b ist an einem nach außen überstehenden Kragen 8 des Metallblocks 4 angeschweißt und der untere Metallring 5c ist an dem Deckel 1b des Gehäuses 1 angeschweißt und zwar an dem die zentrale Öffnung in dem Deckel 1b umgebenden Kreisring. Wie aus 2 zu erkennen ist, besteht zwischen der Außenfläche des Zylindermantels des Metallblocks 4 und der Innenseite des Isolierrings 5a ein Abstand. Dieser Abstand beträgt einige mm und trägt zur elektrischen Isolierung des Metallblocks 4 gegenüber dem Gehäuse 1 bei.
Um eine möglichst effiziente Zuführung der Hochfrequenzspannung von der Einrichtung 3 auf die Anode 6 zu gewährleisten, ist der Metallblock 4, der beispielsweise aus Stahl gefertigt ist, auf seiner Außenseite mit einer elektrisch hochleitfähigen Beschichtung, beispielsweise aus Silber oder Gold, beschichtet.
Bei der vorbeschriebenen Plasmaquelle bildet sich bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Einrichtung 3 im Plasmaraum 2 ein Plasma aus, wobei durch die Hochfrequenzeinkopplung direkt auf die becherförmige Anode 6 eine kapazitive Ankopplung des Plasmas erfolgt und das Plasma im wesentlichen nur innerhalb der becherförmigen Anode 6, also im Plasmaraum 2 brennt. Aufgrund der Zuführung der Hochfrequenzspannung durch die Einrichtung 3 zur Anode 6 und die elektrische Isolierung der Einrichtung 3 gegenüber dem auf Erdpotential liegendem Gehäuse 1 wird eine sichere und effiziente Einkopplung der Hochfrequenzspannung und damit ein effizienter und sicherer Betrieb der Plasmaquelle ermöglicht.

Claims

Plasmaquelle mit einem auf Erdpotential liegenden Gehäuse (1), einem darin angeordneten Plasmagefäß, welches einen Plasmaraum (2) umgibt und mit einer Anode (6) sowie einer Einrichtung (3) zur Zuführung einer Hochfrequenzspannung an die Anode (6), welche einen elektrisch mit der Anode (6) in Verbindung stehenden und durch eine Isolierung (5) gegenüber dem Gehäuse (1) elektrisch isolierten Metallblock (4) umfasst, der über eine Ankopplungseinrichtung (7) zur elektrischen Verbindung mit einem Hochfrequenzgenerator verfügt, wobei bei angelegter Hochfrequenzspannung in dem Plasmaraum (2) durch elektrische Gasentladung ein darin befindliches Prozessgas ionisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallblock (4) auf seiner Außenseite eine Beschichtung aus einem elektrisch hochleitfähigen Material, insbesondere Silber oder Gold, aufweist.
Plasmaquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (5) von einem Isolierring (5a) aus elektrisch nicht leitfähigem Material gebildet ist, der zwischen einem oberen Metallring (5b) und einem unteren Metallring (5c) angeordnet ist, wobei der obere Metallring (5b) mit dem Metallblock (4) und der untere Metallring (5c) mit dem Gehäuse (1) verbunden ist.
Plasmaquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierring (5a) aus Keramik ist.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallblock (4) zylindrisch ausgebildet ist und an seiner Oberseite (4a) einen nach außen überstehenden Kragen (8) aufweist.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Metallblock (4) mindestens ein Kühlkanal (9) angeordnet ist, welcher mit einem Kühlfluidkreislauf in Verbindung steht.
Plasmaquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallblock (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 Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Metallring (5b) an dem Kragen (8) befestigt, insbesondere angeschweißt ist.
Plasmaquelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierring (5a) radial im Abstand zum zylindrischen Metallblock (4) angeordnet ist und nur über den oberen Metallring (5b) mit diesem in Verbindung steht.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Metallblock (4) Gaskanäle (11) verlaufen, die mit einem Gasreservoir in Verbindung stehen und zur Zuführung von Prozessgas in den Plasmaraum (2) dienen.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (6) becherförmig ausgebildet ist mit einer rohrförmigen Wand (6a) und einem scheibenförmigen Boden (6b), der an der Unterseite (4b) des Metallblocks (4) abnehmbar an diesem befestigt ist.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) von einem metallischen Rohr (1a) gebildet ist, welches an seiner oberen Stirnseite von einem eine zentrale Öffnung aufweisenden Deckel (1b) abgedeckt ist.
Plasmaquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Metallring (5c) des Isolierrings (5) an dem Deckel (1b) befestigt, insbesondere angeschweißt ist und dass der Metallblock (4) in die Öffnung des Deckels (1b) hineinragt.
Plasmaquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (6) in dem Gehäuse (1) angeordnet ist und das Plasmagefäß bildet.
Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (6) konzentrisch in dem metallischen Rohr (1a) des Gehäuses (1) angeordnet ist.