DE102010055799B3

DE102010055799B3 - Vorrichtung und Verwendung der Vorrichtung zur Messung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz eines Plasmas

Info

Publication number: DE102010055799B3
Application number: DE102010055799.4A
Authority: DE
Inventors: Prof.Dr. Brinkmann Ralf-Peter; Dipl.-Ing. Oberrath Jens; Prof. Dr.-Ing. Awakowicz Peter; Dipl.-Ing. Lapke Martin; Prof. Dr.-Ing. Musch Thomas; Prof. Dr.-Ing. Rolfes Ilona; Dr.-Ing. Mussenbrock Thomas; Dipl.-Ing. Schulz Christian; Dipl.-Ing. Storch Robert; Dipl.-Ing. Styrnoll Tim; Christian ZIETZ
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover; Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: House Of Plasma De GmbH
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: US9113543B2; WO2012045301A2; KR20130029448A; US20130160523A1; WO2012045301A3; KR101567176B1

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz eines Plasmas, umfassend Mittel zur Bestimmung einer Impulsantwort auf ein in ein Plasma eingekoppeltes Hochfrequenzsignal sowie Mittel zur Berechnung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz als Funktion der Impulsantwort, eine in das Plasma einbringbare Sonde (1) mit einem Sondenkopf (2) und einem Sondenschaft (5), welcher mit einem Signalgenerator zum elektrischen Einkoppeln eines Hochfrequenzsignals in den Sondenkopf (2) verbunden ist, wobei der Sondenkopf (2) einen Mantel (7) und einen von dem Mantel (7) umgebenen Sondenkern (8) aufweist, wobei die Oberfläche des Sondenkerns (8) gegeneinander isolierte Elektrodenbereiche (3, 4; 3a, 4a) gegensätzlicher Polarität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (1) ein Symmetrierglied (9) aufweist, welches im Übergang zwischen dem Sondenkopf (2) und einer elektrisch unsymmetrischen Hochfrequenzsignalzuführung (6) zur Umwandlung elektrisch unsymmetrischer Signale in symmetrische Signale wirksam ist.

Description

Vorrichtung und Verwendung der Vorrichtung zur Messung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz eines Plasmas.
Plasmen – elektrisch aktivierte Gase – kommen in unterschiedlichen technischen Bereichen zum Einsatz, wobei die besonderen physikalischen Eigenschaften von Plasmen häufig Basis innovativer Produkte und Verfahren sind. Wesentlich für den Erfolg eines Verfahrens, das auf der Verwendung technischer Plasmen basiert, ist die genaue Überwachung und – bei Abweichungen – die eventuelle Nachregelung des Plasmazustandes. Eine wichtige Kenngröße von Plasmen ist die orts- und zeitabhängige Elektronendichte n_e. Ihre Kenntnis ist für die Beurteilung der Eigenschaften von Plasmen unverzichtbar. Auch die Elektronentemperatur T_e und die Stoßfrequenz v spielen bei der Beurteilung eines Plasmas eine wichtige Rolle. Die Elektronentemperatur ist ein Maß der Aktivität eines Plasmas, die Stoßfrequenz liefert Informationen über die Neutralgaszusammensetzung sowie der Neutralgastemperatur. Diese sind z. B. für die Endpunkterkennung bei Ätzprozessen wichtig. Bei technologisch eingesetzten Plasmen, speziell in den sogenannten reaktiven Plasmen, ist z. B. die Bestimmung der Elektronendichte schwierig. Nur wenige Verfahren sind industriekompatibel, d. h. robust genug gegen Verschmutzungen und Störungen ohne Beeinflussung des überwachenden Prozesses bei gleichzeitig niedrigem Aufwand im Messprozess, in der Auswertung und hinsichtlich der Online-Fähigkeit.
Ein für die industrielle Plasmadiagnostik geeignetes Verfahren ist die Plasmaresonanzspektroskopie. Bei diesem Verfahren wird ein Hochfrequenzsignal im Gigahertzbereich in das Plasma eingekoppelt. Die Signalreflektion wird als Funktion der Frequenz gemessen. Speziell werden die Resonanzen als Maxima der Absorption ermittelt Die Lage dieser Maxima ist eine Funktion des gesuchten zentralen Plasmaparameters, der Elektronendichte, die auf diese Weise zumindest prinzipiell absolut und kalibrationsfrei bestimmt werden kann. Die Form der Impulsantwort, bzw. die Dämpfung der Maxima ist eine Funktion der Elektronentemperatur und der Stoßfrequenz, und lässt so Rückschlüsse auf die weiteren Kenngrößen des Plasmas zu. Im Vergleich zu anderen, etablierten Plasmadiagnostiken haben Hochfrequenzmessungen geringe bis keine Auswirkung auf den technischen Prozess und sind weitgehend unempfindlich gegen Verschmutzungen. Der Bedarf an Investition und Wartung ist außerdem sehr gering, wobei eine einfache Systemintegration die Plasmaresonanzspektroskopie ebenso auszeichnet, wie die Schnelligkeit des Messverfahrens sowie seine grundsätzliche Online-Fähigkeit.
Nachteilig bei der Plasmaresonanzspektroskopie ist, dass die Auswertung der Messergebnisse, d. h. der genannte Rückschluss von der Resonanzkurve z. B. auf die Elektronendichte, ein mathematisches Modell erfordert. Für die räumliche Auflösung der Messergebnisse, d. h. die Bestimmung der Plasmakennwerte als Funktion des Ortes, ist zudem eine besondere Technologie erforderlich.
Die DE 10 2006 014 106 B3 offenbart eine Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Plasmas, bei welcher eine Resonanzfrequenz als Antwort auf ein in ein Plasma eingekoppeltes Hochfrequenzsignal bestimmt wird und zur Berechnung der Plasmadichte herangezogen wird. Die Vorrichtung umfasst eine in das Plasma einbringbare Sonde mit einem Sondenkopf in Form eines dreiachsigen Ellipsoids sowie Mittel zum Einkoppeln einer Hochfrequenz in den Sondenkopf durch einen den Sondenkopf haltenden Schaft. Der Sondenkopf besitzt einen Mantel und einen von dem Mantel umgebenen Sondenkern, wobei die Oberfläche des Sondenkerns gegeneinander isolierte Elektrodenbereiche gegensätzlicher Polarität aufweist. Der Sondenkopf hat insbesondere die Form einer Kugel, wobei die Elektrodenbereiche gegensätzliche Polarität besitzen und parallel zu der Mittelquerebene der Kugel angeordnet sind. Dieses Sondendesign hat eine Reihe von Vorteilen, die sich aus den mathematischen Überlegungen der Multipolentwicklung ergeben.
Bei der Multipolentwicklung handelt es sich um eine Methode, die es beim Vorliegen der Voraussetzungen (separable Koordinaten) erlaubt, die hinter dem Ersatzschaltbild stehenden mathematischen Zusammenhänge explizit, d. h. formelmäßig aufzulösen. Daraus resultiert eine unendliche Summendarstellung, wobei allerdings die den höheren Summengliedern entsprechenden höheren Multipolfelder in ihrem Gewicht schnell abnehmen, so dass die Reihe oft nach wenigen Gliedern abgebrochen werden kann. Unter bestimmten Umständen ist lediglich der erste Summenterm von Bedeutung, der sogenannte Dipolanteil. Falls der ellipsoide Sondenkopf und die Beschaltung der Elektrodenbereiche symmetrisch bzgl. einer durch den Mittelpunkt verlaufenden Mittelquerebene gewählt werden, verschwindet der nullte Summenterm, d. h. der sogenannte Monopolanteil. Dies führt zu einer einfachen und vor allem eindeutigen Auswertevorschrift, welche eine Bestimmung der lokalen Plasmadichte mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die elektrische Einkopplung des Hochfrequenzsignals über den Sondenschaft anspruchsvoll ist, da die Elektroden symmetrisch mit dem Hochfrequenzsignal angesteuert werden müssen. Die symmetrische Ansteuerung setzt voraus, dass die Zuleitung ebenfalls elektrisch symmetrisch ausgebildet ist, so dass sich durch die Leitungsführung keine Phasenverschiebung ergibt. Das setzt bei den vorzugsweise sehr kleinen Sonden eine relativ aufwendige Leitungsgestaltung voraus, insbesondere wenn eine ortsaufgelöste Messung erfolgen soll, was nur durch Verlagerung des Sondenkopfes möglich ist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung bestimmter Charakteristika eines Plasmas mittels einer Multipolresonanzsonde aufzuzeigen, welche gegenüber der Vorrichtung der DE 10 2006 014 106 B3 hinsichtlich der Signalübertragung verbessert ist und insbesondere orstaufgelöste Messungen mit höherer Genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Patentanspruch 19 betrifft die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Messung von ein Plasma charakterisierenden Kennwerten.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz eines Plasmas, also zur Messung von Kennwerten, die geeignet sind, ein Plasma zu charakterisieren, umfasst Mittel zur Bestimmung einer Impulsantwort, insbesondere einer Resonanzfrequenz, auf ein in ein Plasma eingekoppeltes Hochfrequenzsignal sowie Mittel zur Berechnung des gewünschten Kennwertes als Funktion der Impulsantwort.
Die Einkopplung des Hochfrequenzsignals in das Plasma erfolgt mittels einer in das Plasma einbringbaren Sonde. Diese Sonde besitzt einen Sondenkopf und einen Sondenschaft, welcher mit einem Signalgenerator zum elektrischen Einkoppeln eines Hochfrequenzsignals in den Sondenkopf verbunden ist. Der Signalgenerator kann in baulicher Einheit mit den Mitteln zur Bestimmung der Impulsantwort ausgebildet sein. Dies kann zum Beispiel dadurch realisiert werden, dass der Signalgenerator und ein auf den Signalgenerator abgestimmter Hochfrequenzempfänger sowie eine dazugehörige Signalauswerteelektronik in einer Einheit, eventuell sogar auf einer Leiterplatte angeordnet sein können. Der Hochfrequenzempfänger nimmt die von der Sonde zurücklaufenden Hochfrequenzsignale auf und setzt diese in Signale niedrigerer Frequenz um. Diese niederfrequenten Signale, die die Information über die Impulsantwort beinhalten, können dann digitalisiert und anschließend digital weiterverarbeitet werden, um die gewünschten Plasmaparameter zu extrahieren. Alternativ ist auch eine direkte Digitalisierung denkbar.
Der Sondenkopf besitzt einen Mantel und einen von dem Mantel umgebenen Sondenkern. Die Oberfläche des Sondenkerns weist gegeneinander isolierte Elektrodenbereiche gegensätzlicher Polarität auf. Der Sondenkopf ist elektrisch symmetrisch ausgebildet, wobei die Sonde zusätzlich ein Symmetrierglied aufweist, welches im Übergang zwischen dem Sondenkopf und einer elektrisch unsymmetrischen Hochfrequenzsignalzuführung angeordnet ist. Das Symmetrierglied ist zur Umwandlung elektrisch unsymmetrischer Signale in symmetrische Signale vorgesehen. Das Symmetrierglied arbeitet bidirektional.
Der Sondenkopf mit seiner elektrisch symmetrischen Ausgestaltung und vorzugsweise auch geometrisch symmetrischen Ausgestaltung liefert eine Impulsantwort als elektrisch symmetrisches Signal bzw. In den Sondenkopf wird aufgrund seiner elektrischen und ggf. auch geometrischen Symmetrie ein symmetrisches Hochfrequenzsignal eingebracht. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Impulsantwort in symmetrischer Form bis zur Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Das Symmetrierglied ermöglicht durch die Umwandlung des symmetrischen Signals in ein unsymmetrisches Signal, dass elektrisch unsymmetrische Signale zur Signalübertragung verwendet werden können. Bei der Hochfrequenzsignalzuführung handelt es sich um elektrische Leitungen, die in Form von zwei parallel zueinander verlaufenden Leitungen nicht mehr streng symmetrisch ausgerichtet sein müssen. Es können sich Phasenverschiebungen und damit Unsymmetrien ergeben, ohne dass diese Unsymmetrien Einfluss auf die Messung oder die Einkopplung des Hochfrequenzsignals in das Plasma haben. Demzufolge kann die elektrische Leitung auch gebogen werden, was eine vereinfachte ortsaufgelöste Messung der Plasmadichte durch Verlagerung des Sondenkopfes gestattet, ohne dass durch das Velagern oder Biegen der Hochfrequenzsignalzuführung nachteilige Einflüsse auf die Messergebnisse festzustellen sind. Mit anderen Worten werden Verfälschungen der Messergebnisse, die sich aus der Geometrie der Hochfrequenzsignalzuführung bzw. dem Übertragungsweg ergeben, eliminiert.
Bei der elektrisch unsymmetrischen Hochfrequenzsignalzuführung handelt es sich insbesondere um eine geschirmte Koaxialleitung, weil diese weder Energie abstrahlt noch aufnimmt und deshalb keine Störungen verursacht.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn das Symmetrierglied unmittelbar im Übergang zum Sondenkopf angeordnet ist, d. h. das symmetrische Signal von und zum Sondenkopf gelangt unmittelbar und ohne Zwischenschaltung weiterer Leitungsabschnitte in den Sondenkopf. Daher ist das Symmetrierglied vorzugsweise im Sondenschaft angeordnet.
Am Übergang zur Hochfrequenzsignalzuführung, insbesondere zum Koaxialkabel muss auf eine gute Anpassung, d. h. einen reflektionsarmen Übergang geachtet werden. Das bedeutet, dass der Eingangswiderstand des Symmetriergliedes möglichst dem Leitungswellenwiderstand in der Koaxialleitung entsprechen sollte. Hieraus ergeben sich die Dimensionierungen der Hochfrequenzsignalzuführung in Abhängigkeit von dem gewählten Substratmaterial. Mit dem Substratmaterial ist nicht der Werkstoff der Leiterbahnen, die insbesondere aus einem Kupferwerkstoff bestehen, sondern der Werkstoff des Isoliermaterials gemeint. Das heißt, die elektrischen und geometrischen Parameter der unten beschriebenen Leiterbahnen und der tragenden Struktur sind anzupassen, um die benötigten Leitungswellenwiderstände im Hinblick auf den Anschluss der Hochfrequenzsignalzuführung einzustellen.
Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Substrate nutzbar, wobei vorzugsweise eine Standard-Leiterplattentechnologie eingesetzt werden kann. Diese ermöglicht zudem eine sehr kostengünstige Realisierung, hohe Fertigungsgenauigkeiten und eine sehr gute Reproduzierbarkeit. Als geeignet haben sich mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatten erwiesen (Materialkennung FR4) und speziell auch ein Basismaterial mit der Kennzeichnung Ro4003^® (eingetragene Marke der Rogers Corporation) als ein speziell für die Hochfrequenz entwickeltes verlustarmes Material, ist für den konkreten Anwendungsfall besonders geeignet. Es handelt sich dabei um ein kupferkaschiertes, keramikgefülltes, glasgewebeversteiftes Polymer-Basismaterial.
Das Symmetrierglied besitzt mithin jeweils mit einem Elektrodenbereich des Sondenkopfes verbundene Leiterbahnen. Die Leiterbahnen liegen sich unmittelbar gegenüber. Sie sind in ihrer Geometrie unter Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften auf Eingangsimpedanzen hin ausgelegt, die an den Leitungswellenwiderstand der Koaxialleitung angepasst sind. Die Leiterbahnen können jeweils eine konstante Breite besitzen. Bevorzugt weist wenigstens eine Leiterbahn in Bezug auf die andere Leiterbahn eine sich verändernde Breite auf. Das heißt, die Leiterbahnen könnten in ihrer Breite mit zunehmendem Abstand vom Sondenkopf oder alternativ in Annäherung zum Sondenkopf zunehmen, so dass sich jeweils eine trapezförmige Form einzelner Leiterbahnen ergibt. Dabei ist die Breitenzunahme der einen Leiterbahn größer als die der anderen Leiterbahn.
In praktischer Ausgestaltung ist der Sondenkopf vorzugsweise ein dreiachsiges Ellipsoid, insbesondere eine Kugel, die sich aus zwei Halbkugeln zusammensetzt. Die Isolierung der Halbkugeln kann über eine zentrale Trägerplatte erfolgen, die sich somit durch den Sondenkern erstreckt. Diese Trägerplatte kann sich auch gleichzeitig in den Sondenschaft fortsetzen, wobei auf je einer Seite der Trägerplatte eine zum Elektrodenbereich führende Leiterbahn angeordnet ist. Das sondenkopfseitige Ende der Trägerplatte ist mithin kreisförmig vergrößert ausgebildet, während der Sondenschaft demgegenüber lang und schmal ist. Im Rahmen der Erfindung wird eine elektrische Symmetrie im Bereich des Sondenkopfes angestrebt, was nicht zwangsläufig bedeutet, dass die Elektrodenbereiche gegensätzlicher Polarität geometrisch symmetrisch ausgebildet sein müssen. Auch die Kugelform kann nur angenähert sein. Zum Beispiel kann aus fertigungstechnischen Gründen eine Geometrie notwendig sein, die bei formgebenden Verfahren eine leichtere Ausformung ermöglicht.
Es besteht die Möglichkeit, das Symmetrierglied unmittelbar an dem Elektrodenbereich des Sondenkopfes enden zu lassen oder aber es sich bis in die Bereiche gegensätzlicher Polarität des Sondenkopfes hinein erstrecken zu lassen. D. h. räumlich befindet sich ein Teil des Symmetriergliedes im Bereich des Sondenkopfes und kann sich sogar bis in das Zentrum des Sondenkopfes erstrecken, z. B. wenn der Sondenkopf als metallische Halbkugel ausgebildet ist. Zur mechanisch robusten Aufnahme der beiden Elektroden können auf einem Endstück der Trägerplatte auch kreisförmige Leiterbahnen aufgebracht werden, auf welche die Elektroden aufgelötet oder aufgeklebt werden können. In diesem Fall enden die Leiterbahnen des Symmetriegliedes an den kreisförmigen Leiterbahnen.
Denkbar ist aber auch, dass das Symmetrierglied mit den Leiterbahnen erst umfangseitig an die Oberfläche des Sondenkopfes, d. h. an die Elektrodenbereiche angeschlossen ist, ohne dass sich die Leiterbahnen überhaupt in das Innere des Sondenkopfes fortsetzen.
Die zentrale Trägerplatte kann als Leiterplatte aus den besagten Basismaterialien hergestellt sein. Es ist aber auch denkbar, den von den Elektrodenbereichen umgebenen, innen liegenden Elektrodenträger des Sondenkerns einteilig mit der Trägerplatte auszubilden, beispielsweise als Spritzgussteil. Die Trägerplatte mit angeformtem Elektrodenträger kann anschließend mit einem elektrisch leitenden Werkstoff beschichtet werden, um die einzelnen Elektrodenbereiche des Sondenkerns auszubilden. Gleichzeitig können die Leiterbahnen abgeschieden werden. Bei diesem Fertigungsschritt handelt es sich insbesondere um eine Metallisierung. Vorzugsweise wird eine Kupferschicht abgeschieden.
Die Leiterbahnen sind gegen die Umgebung abzuschirmen. Dementsprechend ist eine Schirmung am Sondenschaft vorgesehen. Die Schirmung kann an einem außen metallisierten Kunststoffmantel gebildet sein. Dieser Kunststoffmantel kann einteilig ausgebildet sein, so dass die Trägerplatte mit den darauf angeordneten Leiterbahnen in dem Kunststoffmantel einsteckbar ist.
Es ist möglich, den Kunststoffmantel mehrteilig auszubilden und zumindest die den Leiterbahnen zugewandten Ober- und Unterseiten der Trägerplatte zu bedecken. Der Kunststoffmantel selbst kann im Querschnitt eine zylindrische Gestalt haben bzw. bei der mehrteiligen Ausgestaltung aus Zylindersegmenten bestehen. Diese Zylindersegmente können auch die die Oberseiten und Unterseiten der Trägerplatte miteinander verbindenden Schmalseiten bedecken. Es ist natürlich auch denkbar, die Schmalseiten der Trägerplatte unmittelbar mit einer Schirmung zu versehen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schirmung auf Leiterplatten anzuordnen, die wiederum mit der Trägerplatte verbunden werden. Dadurch ergibt sich eine Mehrlagenschaltung, für die es verschiedene Herstellungsverfahren gibt. Als Trägermaterial für einen mehrlagigen Platinenaufbau können auch Keramiken wie AL₂O₃ oder Glas genutzt werden, welche die Nutzungen in Plasmen höherer Temperaturen ermöglichen.
Als Herstellungsverfahren können ein mehrlagiger Platinenaufbau nach einer Standardleiterplattentechnologie oder Mehrlagenschaltungen auf Basis von gesinterten Keramikträgern gewählt werden (Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC)). Es kann auch das MID-Verfahren gewählt werden (MID = Molded Interconnected Devices), bei welchem metallische Strukturen wie z. B. Leiterbahnen auf Kunststoffträgern aufgebracht werden, was auch die Herstellung komplexer 3D-Geometrien auf kostengünstige Weise ermöglicht.
Es ist möglich, die Sonde insbesondere auch zu ortsaufgelösten Messungen einzusetzen, wobei der Sondenkern und der Schaft selbst nicht unmittelbar dem Plasma ausgesetzt werden müssen, sondern in einem Rohr angeordnet sein können, das als Dielektrikum dient und an seinem sondenkopfseitigen Ende verschlossen ist. Das Rohr dient dabei als Mantel. Die Sonde kann manuell oder automatisch mittels eines Aktors z. B. in Form einer Dreh-Schiebedurchführung oder eines UHV-Balges im Plasmareaktor zur ortsaufgelösten Messung positioniert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere zur Messung der Elektronendichte in einem Plasma, insbesondere einem Niederdruckplasma. Bei Angabe einer eindeutigen, mathematisch einfachen Auswertevorschrift, wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht, wobei ortsaufgelöste Messungen möglich und zudem industriekompatibel sind. Durch das gewählte Sondendesign ist es möglich den Zusammenhang zwischen der primären Messkurve, d. h. der Impulsantwort und der gesuchten Kenngröße des Plasmas formelmäßig anzugeben, so dass das Verfahren nur auf die lokale Elektronendichte und nicht auf eine Kopplung an eine entfernte Wand reagiert. Wesentlich für das Messverfahren ist die elektrisch symmetrische Ausgestaltung des Sondenkopfes, bei dem es sich wie vorstehend erläutert insbesondere um zwei Halbkugeln bzw. zwei Halbschalen handelt. Durch die geeignete Gestaltung der isolierten Bereiche sowie durch die Variation des Verhältnisses von Mantel- zu Kerndurchmesser, kann die Zusammensetzung der Gesamtcharakteristik aus den einzelnen Multipolanteilen In weitem Rahmen verändert werden.
An einem Beispiel soll der Aufbau der Sonde erläutert werden: Wenn der Radius R_e des Sondenkerns im Verhältnis zum Radius R_d des Mantels klein ist, dominiert der Dipolanteil. Unter den beispielhaften Annahmen, dass die relative Dielektrizitätskonstante des Mantels ε_r = 2 ist, das Verhältnis von innerem zu äußerem Radius der Sonde R_e/R_d = 0,5 gewählt wurde, und die Dicke δ der die Sonde umgebenden Plasmarandschicht klein ist gegenüber R_d, ergibt sich die Resonanzfrequenz ω_res aus der für diesen besonderen Fall zutreffenden Gleichung: ω 2 / res ≈ 0,583ω 2 / p.
Dabei ist ω_p die lokale Plasmafrequenz des Plasmas, die in einer festen Beziehung zur Elektronendichte n_e steht. Nach dieser aufgelöst gilt n_c ≈ 2,1f 2 / GHZ × 10¹⁰ cm^–3.
Die auf die jeweilige ellipsoide und insbesondere kugelförmige Sondenform abgestimmte relativ einfache und vor allem eindeutige Auswertevorschrift ermöglicht eine Bestimmung der lokalen Plasmadichte mit hoher Genauigkeit.
Die sogenannte Muitipolresonanzsonde eignet sich nicht nur zur Erfassung der Plasmadichte, sondern auch gleichzeitig zur Erfassung der Elektronentemperatur und der Kollisionsrate, d. h. der Stoßfrequenz in Niederdruckplasmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Sonde in einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform einer Sonde gemäß 1;
3 eine Draufsicht auf eine obere Leiterbahn des Symmetriergliedes der 2;
4 eine Draufsicht auf eine untere Leiterbahn des Symmetriergliedes der 2;
5 eine perspektivische Darstellung einer Trägerplatte aus Kunststoff mit angespritztern Elektrodenträger;
6 die Trägerplatte der 5 nach einer Metallisierung der Oberseite und des Elektrodenträgers;
7 die Trägerplatte der 5 und 6 nach der Metallisierung der Unterseite in Blickrichtung auf die Unterseite;
8 einen außen metallisierten Kunststoffmantel als Schirmung für eine Sonde gemäß der Bauform der 5 bis 7 und
9 eine weitere Ausführungsform einer Schirmung für eine Sonde.
1 zeigt in perspektivischer Ansicht den Aufbau einer Vorrichtung zur Messung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Kollisionsrate eines Plasmas. Hier dargestellt, ist eine in das Plasma einbringbare Sonde 1. Die Sonde 1 besitzt an ihrem freien Ende einen Sondenkopf 2, mit einem Sondenkern 8, der sich aus zwei halbkugelförmigen Elektrodenbereichen, 3, 4 zusammensetzt. Der Sondenkern 8 ist elektrisch symmetrisch ausgebildet. Der Sondenkern 8 wird über einen Sondenschaft 5 getragen, der in praktischer Ausführungsform lang und schlank ist. An dem Sondenschaft 5 ist eine Hochfrequenzsignalzuführung 6 in Form einer Koaxialleitung angeschlossen. Die Hochfrequenzsignalzuführung 6 ist mit nicht näher dargestellten Mitteln zur Einkopplung eines Hochfrequenzsignals, d. h. mit einem Signalgenerator verbunden. Zudem sind Mittel zur Bestimmung der Impulsantwort, insbesondere der Resonanzfrequenz, auf das in das Plasma eingekoppelte Hochfrequenzsignal vorgesehen sowie Mittel zur Berechnung der gewünschten charakteristischen Kennwerte des Plasmas als Funktion der Impulsantwort nach einer vorgegebenen Auswertevorschrift. Die auf die kugelförmige. Sondenform abgestimmte Auswertevorschrift ermöglicht insbesondere eine Bestimmung der lokalen Plasmadichte mit hoher Genauigkeit Der Sondenkern 8 befindet sich in einem an einem Ende verschlossenen Quarzrohr, das einen Mantel 7 bildet. Radien des Sondenkerns 8 bzw. des Mantels 7, bezogen auf den Mittelpunkt des Sondenkerns 8 sind wichtige Einflussgrößen für die Messung der Elektronendichte eines Plasmas. Der Mantel 7 zusammen mit dem Sondenkern 8 bildet als funktionale Einheit den Sondenkopf 2 der Sonde 1. Das heißt, dass bei dieser Ausführungsform der Mantel 7 Bestandteil der Sonde 1 ist.
Im Rahmen der Erfindung ist die Konfiguration des Sondenschaftes 5 und der Hochfrequenzsignalzuführung 6 wesentlich. Durch die Hochfrequenz-signalzuführung 6 wird ein elektrisch unsymmetrisches Signal in den Sondenschaft 5 eingeleitet. Innerhalb des Sondenschaftes 5 wird dieses elektrisch unsymmetrische Signal in ein symmetrisches Signal umgewandelt und umgekehrt. Der Sondenschaft 5 weist mithin ein Symmetrierglied 9 auf.
Der Sondenschaft 5 ist als Multilayer-Anordnung konfiguriert. Es gibt eine zentrale Trägerplatte 10, wie sie in der Figurendarstellung in 2 zu erkennen ist. Die Trägerplatte 10 besitzt einen lang gestreckten rechteckigen Schaft 11 und ein kreisscheibenförmiges Endstück 12, das in seinem Durchmesser den beiden halbkugelförmigen Elektrodenbereichen 3, 4 des Sondenkerns 2 angepasst ist Die Trägerplatte 10 besteht aus einem Basiswerkstoff für Leiterplatten wie z. B. FR4 oder Ro4003^®. Die Dicke beträgt vorzugsweise 200 μm. Über ein Lot oder einen elektrisch leitenden Klebstoff 13 sind die beiden Elektrodenbereiche 3, 4 mit dem Endstück 12 verbunden. Hierbei wird gleichzeitig jeweils eine auf einer Oberseite und einer Unterseite 14, 15 der zentralen Trägerplatte 10 angeordnete Leiterbahn 16, 17 in Kontakt mit den halbkugelförmigen Elektrodenbereichen 3, 4 gebracht.
Die genaue Konfiguration dieser beiden Leiterbahnen 16, 17 geht aus den 3 und 4 hervor. Die Leiterbahnen 16, 17 bestehen aus einem Kupferwerkstoff und besitzen vorzugsweise eine Dicke von 17 μm. Die Leiterbahnen 16, 17 erstrecken sich gegebenenfalls bis in den Mittelpunkt des Endstücks 12 und damit bis in die Mitte der Kreisflächen der Elektrodenbereiche 3, 4.
Die in der Bildebene obere Lage gemäß 2 besitzt eine Breite 81 von 0,2 mm in ihrem Anfangsbereich unterhalb des Elektrodenbereichs 3. Am anderen Ende der Trägerplatte 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Breite B2 von 0,4 mm gegeben. Das Verhältnis B1:B2 beträgt daher 1:2.
Die gegenüberliegende Leiterbahn 17 beginnt ebenfalls in der Mitte des kreisförmigen Endstückes 12. Auch sie besitzt eine Anfangsbreite B1 von 0,2 mm. Die Breite B1 dieser Leitungsbahn 17 nimmt jedoch zum Ende des Schaftes 11 Wesentlich stärker zu und zwar bis auf einen Wert von 2,90 mm. Dies entspricht in diesem konkreten Ausführungsbeispiel der Gesamtbreite des Schaftes 11. Das Verhältnis von B1 zu der Endbreite B3 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1:14,5.
Oberhalb der Leiterbahnen 16, 17 befindet sich im Ausführungsbeispiel der 1 eine weitere Lage aus einem Prepreg 18 mit einer Dicke von jeweils 150 μm. Die Prepregs 18 dienen als Verbindungsschicht zwischen zwei Leiterplatten. In 2 wird lediglich auf die Darstellung der Prepregs 18 verzichtet. In dem Schichtaufbau folgt auf die Leiterbahnen 16, 17 jeweils wiederum eine Leiterplatte 19. Die Leiterplatten 19 sind identisch konfiguriert und tragen jeweils eine Schirmung 20 mit einer Dicke von 17 μm. Die Schirmung 20 besteht aus einem Kupferwerkstoff. Die Leiterplatte 19 besteht wiederum aus Ro4003^®.
In 1 ist zu erkennen, dass die Hochfrequenzsignalzuführung 6 in Form einer Koaxialleitung mit ihrem Innenleiter 21 an die in der Bildebene obere Leiterbahn 16 angeschlossen ist, während der Außenleiter 22 an die gegenüberliegende Leiterbahn 17 angeschlossen ist. Eine Schirmung 23 der Koaxialleitung ist mit der Schirmung 20 im Bereich des Sondenschaftes 5 verbunden.
Die 5 bis 7 zeigen ein alternatives Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Sonde 1a. Hierbei werden metallische Strukturen auf einen Kunststoffträger aufgebracht, der z. B. mittels einer Spritzgusstechnik geformt wird. Mithin zeigt 5 einen Rohling für die erfindungsgemäße Sonde 1a, bestehend aus einer Trägerplatte 10a, an welcher einstückig ein kugelförmiger Elektrodenträger 24 angespritzt ist Der Elektrodenträger 24 kann in einem separaten Arbeitsschritt angespritzt wenden. Vorzugsweise werden der Elektrodenträger 24 und die Trägerplatte 10a in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellt Der Elektrodenträger 24 sowie die Trägerplatte 10a werden im nächsten Schritt metallisiert, wobei sich die halbkugelförmigen Elektrodenbereiche 3a, 4a sowie die im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Leiterbahnen 16 (6) und 17 (7) ausbilden.
Die Herstellung einer derartigen Sonde 1a bzw. die Herstellung der Trägerplatte 10a mit dem Elektrodenträger 24 ist sehr kostengünstig möglich. Auch eine Schirmung 20a, 20b ist relativ einfach realisierbar, wie anhand der 8 und 9 deutlich wird.
8 zeigt einen außen metallisierten, zylinderförmigen Kunststoffmantel 25. Die bei dem Ausführungsbeispiel der 1 von zwei separaten Kupferschichten gebildete Schirmung 20 ist hier durch eine Schirmung 20a in Form eines beschichteten Zylinders gebildet. Der Kunststoffmantel 25 besitzt eine Aussparung 26, in welche der Schaft 5a der in den 5 bis 7 dargestellten Sonde 1a eingesteckt werden kann.
9 zeigt eine zweite Möglichkeit zur Schirmung. Ähnlich wie bei der Ausführungsform der 8 werden oberflächlich gekrümmte Schirmungen 20b verwendet In diesem Ausführungsbeispiel haben sie die Form des Zylinderabschnitts oder Zylindersegmentes. Die beiden auf ihren gekrümmten Flächen metallisierten Kunststoffmäntel 27. 28 werden auf der Oberseite 14 bzw. der Unterseite 15 des Schaftes 5a befestigt. Zusätzlich befindet sich an den Schmalseiten 29 des Schaftes 5a eine Metallisierung, die im Zusammenbau mit den Mänteln 27, 28 ebenfalls eine geschlossene Schirmung 20b bildet, wie es auch bei der Ausführungsform der 8 der Fall ist.
Bezugszeichenliste

1: Sonde
1a: Sonde
2: Sondenkopf
3: Elektrode
3a: Elektrode
4: Elektrode
4a: Elektrode
5: Sondenschaft
5a: Sondenschaft
6: Hochfrequenzsignalzuführung
7: Mantel
8: Sondenkern
8a: Sondenkern
9: Symmetrierglied
10: Trägerplatte
10a: Trägerplatte
11: Schaft
12: Endstück
13: Leitkleber
14: Oberseite
15: Unterseite
16: Leiterbahn
17: Leiterbahn
18: Prepreg
19: Leiterplatte
20: Schirmung
20a: Schirmung
20b: Schirmung
21: Innenleiter
22: Außenleiter
23: Schirmung
24: Elektrodenhalter
25: Kunststoffmantel
26: Ausnehmung
27: Mantel
28: Mantel
B1: Breite
B2: Breite
B3: Breite

Claims

Vorrichtung zur Messung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz eines Plasmas, umfassend Mittel zur Bestimmung einer Impulsantwort auf ein in ein Plasma eingekoppeltes Hochfrequenzsignal sowie Mittel zur Berechnung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz als Funktion der Impulsantwort, eine in das Plasma einbringbare Sonde (1) mit einem Sondenkopf (2) und einem Sondenschaft (5), welcher mit einem Signalgenerator zum elektrischen Einkoppeln eines Hochfrequenzsignals in den Sondenkopf (2) verbunden ist, wobei der Sondenkopf (2) einen Mantel (7) und einen von dem Mantel (7) umgebenen Sondenkern (8) aufweist, wobei die Oberfläche des Sondenkerns (8) gegeneinander isolierte Elektrodenbereiche (3, 4; 3a, 4a) gegensätzlicher Polarität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (1) ein Symmetrierglied (9) aufweist, welches im Übergang zwischen dem Sondenkopf (2) und einer elektrisch unsymmetrischen Hochfrequenzsignalzuführung (6) zur Umwandlung elektrisch unsymmetrischer Signale in symmetrische Signale wirksam ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zum Signalgenerator über eine elektrisch unsymmetrische Leitung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch unsymmetrische Hochfrequenzsignalzuführung (6) über eine Koaxialleitung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Symmetrierglied (9) im Sondenschaft (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangswiderstand des Symmetriergliedes (9) dem Leitungswellenwiderstand der elektrisch unsymmetrischen Hochfrequenzsignalzuführung (6) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Symmetrierglied (9) jeweils mit einem Elektrodenbereich (3, 4; 3a, 4a) verbundene, sich unmittelbar gegenüberliegende Leiterbahnen (16, 17) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leiterbahn (16, 17) in Bezug auf die andere Leiterbahn (16, 17) eine sich verändernde Breite (B1, B2, B3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (1) eine zentrale Trägerplatte (10) aufweist, die sich durch den Sondenkern (8) und den Sondenschaft (5) erstreckt, wobei auf einer Seite der Trägerplatte (10) jeweils ein Elektrodenbereich (3, 4) des Sondenkerns (8) und eine Leiterbahn (16, 17) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Symmetrierglied (9) bis zwischen die Elektrodenbereiche (3, 4) des Sondenkerns (8) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Elektrodenbereichen (3, 4) umschlossene Elektrodenträger (24) einteiliger Bestandteil der Trägerplatte (10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbereiche (3a, 4a) durch Abscheiden eines elektrisch leitenden Werkstoffs auf dem elektrisch nicht leitenden Elektrodenträger (24) und die Leiterbahnen (16, 17) durch Abscheiden eines elektrisch leitenden Werkstoffs auf der elektrisch nicht leitenden Trägerplatte (10) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand zu den Leiterbahnen (16, 17) eine Schirmung (20) am Sondenschaft (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (20) von einem außen metallisierten Kunststoffmantel (7) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmantel (7) einteilig ausgebildet ist, so dass die Trägerplatte (10) in den Kunststoffmantel (7) einsteckbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmantel (7) mehrteilig ausgebildet ist und zumindest die den Leiterbahnen (16, 17) zugewandten Ober- und Unterseiten (14, 15) der Trägerplatte (10) bedeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (20) auf Leiterplatten (19) angeordnet ist, die mit der Trägerplatte (10) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (1) als Mehrlagenschaltung auf der Basis von gesinterten Keramikträgern ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (1) in einem als Rohr ausgebildeten Mantel (7) angeordnet ist, welches als Dielektrikum dient und an seinem sondenkopfseitigen Ende verschlossen ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung der Dichte und/oder der Elektronentemperatur und/oder der Stoßfrequenz eines Plasmas.