DE10203543A1

DE10203543A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines APG-Plasmas

Info

Publication number: DE10203543A1
Application number: DE10203543A
Authority: DE
Inventors: Juergen Engemann; Darius Korzec; Emilia Gabriela Finantu-Dinu
Original assignee: JE PLASMACONSULT GmbH
Current assignee: Relyon Plasma GmbH
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: DE10203543B4

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Vorrichtung (30) zur Erzeugung eines APG-(atmospheric pressure glow/Atmosphären-Glimmentladung)-Plasma (1), umfassend eine Elektrodenanordnung (3) mit einer Vielzahl von Kanälen (8) für einen Durchtritt eines Gases von einer Gaszuführung (36, 17, 19, 21) durch die Elektrodenanordnung (3) hindurch zu einem Prozessraum (40), wobei die Kanäle (8) jeweils einen Abschnitt (41) mit einem Gaseinlass (37) und einem Gasauslass (38) umfassen, wobei dem Gaseinlass (37) ein den Kanal (8) umrandender Kathodenbereich (34) und dem Gasauslass (38) ein den Kanal (8) umrandender Anodenbereich (35) zugeordnet ist, wobei zwischen dem Kathodenbereich (34) und dem Anodenbereich (35) ein Isolator (12) angeordnet ist, und wobei die Wandung (31) des Kanals (8) von einem isolierenden Material gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines APG-Plasmas. Es handelt sich dabei um eine Vorrichtung zur großflächigen Erzeugung von metastabil angeregten Atomen oder Molekülen.
Als APG-Plasma (APG = atmospheric pressure glow) bzw. Atmosphären-Glimmentladungs-Plasma wird ein Plasma bezeichnet, welches in einem Druckbereich in der Größenordnung des Atmosphärendruckes erzeugt werden kann. Im Gegensatz zu Vorrichtungen, die ein Hohlkathoden-Plasma erzeugen, wie sie beispielsweise in der DE 197 22 624 A1 beschrieben sind, und welche üblicherweise bei Kammerdrücken von einigen mbar arbeiten, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei deutlich höheren Drücken, insbesondere bei Drücken im Bereich des Atmosphärendruckes, arbeiten, so dass beispielsweise auf aufwendige Vakuumpumpen und eine entsprechende aufwendige Ausbildung der Vorrichtung verzichtet werden kann. Der Druckbereich, innerhalb dem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein APG-Plasma erzeugt werden kann, kann von einigen hundert mbar bis zu Drücken deutlich über Atmosphärendruck, also bis beispielsweise zehn bar reichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet im Stand der Technik kein Vorbild. Im folgenden wird ein kurzer Überblick des der Anmelderin bekannten Standes der Technik gegeben:
Die so genannte "dielektrisch behinderte Entladung", die aufgrund einer vorhandenen Isolierung der Elektroden auch Barrierenentladung oder stille Entladung genannt wird, ist seit langer Zeit im technischen Einsatz. Im Beitrag von B. Eliasson, M. Hirth und U. Kogelschatz, J. Phys. D: Appl. Phys. 20, (1987) Seiten 1421-1437, ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon mittels einer Barrierenentladung vorgestellt. Eine andere Anwendung der Barrierenentladung ist die Dekomposition von schädlichen Gasen in Abgasen, die am Beispiel von Schwefeldioxid und Stickoxyden im Beitrag von M. B. R. Chang in J. Appl. Phys. 69 (1991) Seiten 4409-4417 und im Beitrag von S. K. Dhali und I. Sardja in J. Appl. Phys. 69, (1991) Seiten 6319-6324, beschrieben ist. Eine andere im Beitrag von J. Drimal und J. Janca in J. Phys. D: Appl. Phys. 23 (1990) auf den Seiten 7-11 dargestellte Anwendung ist die Dekontamination und Reinigung von Wasser. Zahlreiche weitere Anwendungen sind auch im Beitrag von B. Eliasson und U. Kogelschatz in IEEE Trans. Plas. Sci. 19 (1991) auf Seiten 309-323 genannt.
Als weiterer Stand der Technik auf dem Gebiet der Anwendung von Barrierenentladungen zur Ozonerzeugung kann die US 5,637,279 angeführt werden.
Zu den Nachteilen der klassischen Barrierenentladung gehören eine für großflächige Prozesse ungeeignete Entladungsgeometrie, hohe Spannungen und eine relative hohe Wärmeentwicklung. Insbesondere macht die übliche Spaltgeometrie von Koronar- oder Barriereentladungen die Behandlung dicker, bahnförmiger Materialien praktisch unmöglich.
Eine für die technologischen Anwendungen besonders attraktive Variante der Barrierenentladung ist die so genannte Oberflächenentladung, die ursprünglich zur Ozonerzeugung verwendet wurde. Diese Anwendung ist im Beitrag von S. Masuda et al in IEEE Tr. Industry Appl. 24 (1988) auf den Seiten 223-231 und auch in der korrespondierenden US 4,666,679 beschrieben. Diese Konstruktion besteht aus einer Vielzahl von Elektrodenplatten, die in der Gasströmung parallel zum Gasstrom liegen. Jede Elektrodenplatte besteht aus einer Platte aus einem dielektrischen Material auf der von einer Seite eine rechteckige Induktionselektrode, auf der anderen Seite - eine streifenförmige Entladungselektrode aufgebracht ist. Die Entladung entwickelt sich zwischen den Kanten der Streifenelektroden und der Isolierfläche über der Induktionselektrode. Ein wesentlicher Nachteil einer derartigen Oberflächenentladung ist ein direkter Kontakt zwischen dem Plasma und der Metallfläche der Elektrode. In Folge von Auger-Abregung und von Tunnel-Neutralisierung werden die metastabil angeregten Spezies an der Metalloberfläche vernichtet. Damit sinkt die mittlere Lebenszeit und die Konzentration von metastabil angeregten Spezies, wodurch eine solche Vorrichtung nicht als eine Quelle von metastabil angeregten Atomen oder Molekülen verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang ist als Nachteil auch aufzuführen, daß es auf Grund eines direkten Kontaktes mit dem Plasma zu einer Erosion und nachfolgenden Zerstörung der metallischen, streifenförmigen Entladungselektrode kommt. Hierdurch wird die Einsatzdauer der Vorrichtung auf wenige Minuten reduziert. Weitere Nachteile sind eine mögliche Kontamination sowie elektrische Durchschläge an der Oberfläche.
T. Watanabe et al beschreiben in der US 5,407,639 eine Vorrichtung zur Ozonerzeugung, in der die Entladungselektrode mit einer Isolierschicht geschützt ist, wodurch die Lebensdauer des Elektrodensystems im Vergleich zur Oberflächenentladung wesentlich verlängert wird. Die Gaszuführung erfolgt hier, wie bei der Oberflächenentladung, seitlich tangential zu der Elektrodenfläche.
Auch in der koplanaren Entladung sind die Metallelektroden in ein dielektrisches Material eingebettet, wodurch das Problem der Vernichtung von metastabil angeregten Spezies gelöst ist. Die Funktionsweise solcher Entladungen ist in dem Beitrag von V. I. Gibalov und G. J. Pietsch, J. Phys. D: Appl. Phys. 33, (2000) auf den Seiten 2618-2636 und in den Beiträgen von S. Rauf und M. J. Kushner, J. Appl. Phys. 85, (1999) auf den Seiten 3460-3476 erläutert. Ein typischer Nachteil der koplanaren Entladungsgeometrie ist das Auftreten einer parasitären Entladung auf der Rückseite der Elektrodenplatten.
M. J. Costa und J. B. Shapiro haben eine Matrix von zylindersymmetrischen, koplanaren Entladungen in der US 4,689,617 beschrieben, die als Plasmabildschirm eingesetzt werden kann. Eine Elementarzelle der Entladung besteht aus zwei mit einer Isolierschicht abgedeckten Elektroden, der ersten kreisförmigen an der Achse der Anordnung und der zweiten, ringförmigen rund um die kreisförmige. Die koplanare Entladung findet auf der Oberfläche der Isolierschicht über dem Spalt zwischen der Kreis- und der Ring-Elektrode statt.
Eine ähnliche technische Lösung bietet die isolierte Oberflächenentladung wie in der US 6,040,055 von S. Baba und T. Endo beschrieben. Ähnlich wie bei der koplanaren Entladung, ist die Metallelektrode von dem Plasma mit einer Isolierschicht getrennt. Die beiden Anregungselektroden befinden sich nicht in der gleichen Ebene, sondern die Anregungselektrode und Induktionselektrode sind auf beiden Seiten einer Platte aus einem elektrisch isolierenden Material angebracht. Damit werden die bei einer koplanaren Entladung möglichen parasitären Entladungen auf der Rückseite der Elektrodenplatte ausgeschlossen.
Die Möglichkeit einer technologischen Anwendung von isolierten Oberflächenentladungen ist im Beitrag von M. ≙tefe ≙ka, D. Korzec, Y. Imahori, M. ≙irý, M. Kando in Science and Technology of Advanced Materials 2/3-4 (2001) auf den Seiten 587-593 erläutert.
Wie bei der koplanaren Entladung und Oberflächenentladung, ist bei dieser Anordnung der Gasfluss tangential zur Elektrodenfläche. Die Produktion der metastabil angeregten Spezies ist nur sehr begrenzt möglich.
Vielversprechend für technologische Anwendungen ist die Atmosphärendruck-Glimmentladung, die zuerst in einem Beitrag von S. Kanazawa et al in J. Phys. D: Appl. Phys. 21 (1988) auf den Seiten 838-840 dargestellt ist. In einem Beitrag von F. Massines und G. Gouda in J Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) ist auf Seiten 3411-3420 gezeigt, dass die primäre Rolle bei der Aufrechterhaltung einer Atmosphärendruck-Entladung in Helium metastabil angeregte Atome spielen. Das Gleiche gilt für metastabil angeregte Stickstoffmoleküle, laut einem Beitrag von N. Gherardi et al in Plasma Sources Sci. Technol 9 (2000) auf den Seiten 340-346. Die auf der Basis von metastabil angeregten Atomen betriebenen Entladungen ermöglichen nicht nur die Modifikation von Oberflächen sondern auch die Abscheidung dünner Schichten. In einem Beitrag von N. Gherardi et al in J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) auf Seiten L104-L108 ist die Abscheidung von Siliziumdioxid unter Atmospärendruck dokumentiert. Die Abscheidung von Polymerschichten in der Atmosphären- Glimmentladung ist in dem Beitrag von Y. Sawada et al in J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995) auf den Seiten 1661-1669 beschrieben:
Das technologische Potential der Atmosphären-Glimmentladung inspirierte zahlreiche erfinderische Aktivitäten.
J. R. Roth und P. P. Tsai beschreiben in der US 5,456,972 eine Vorrichtung zur beidseitigen Behandlung von bahnförmigen Materialien mit Hilfe einer Atmosphärendruck-Glimmentladung. Die Entladung wird in einem Volumen zwischen zwei Elektroden gezündet. Die perforierten dielektrischen Platten auf beiden Elektroden unterdrücken den Übergang von der Glimmentladung zu einer Bogenentladung. Das bahnförmige Material wird in der Mitte zwischen den beiden Elektroden durchgeführt. Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass sie sich nur mit helium- oder argon-haltigen Gasmischungen betreiben lässt, da der Abstand zwischen den Elektroden relativ groß, im cm-Bereich, ist. Darüber hinaus fließt der gesamte Hochfrequenzstrom von einer Elektrode zu der anderen durch das zu behandelnde Material. Dies kann zur Beschädigung des Materials infolge einer dielektrischen Aufwärmung oder aber zu direkten elektrischen Durchschlagen führen.
In der US 6,221,268 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Atmosphärendruck-Glimmentladung beschrieben, die mit Hilfe der Hochfrequenzleistung (13.56 MHz) in Form eines Jets erzeugt wird. Als Anwendungsbeispiel wird die Modifikation von Kunststoffoberflächen genannt. Die Vorrichtung ist vorwiegend als Einzeljet konzipiert und eignet sich deshalb nur bedingt zur Behandlung von großflächigen bahnförmigen Materialien.
In der US 6,005,349 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer großflächigen Atmosphärendruck-Glimmentladung beschrieben, in der eine auf der Kathode angebrachte dielektrische Mikrokanalplatte den Übergang des Arbeitspunktes der Entladung von einer Glimmentladung zu einer Bogenentladung unterdrückt. Nachteil dieser Vorrichtung ist die Geometrie, bei der die zwischen Anode und Kathode eingeführten Substrate die Stromlinien unterbrechen und aus diesem Grunde einen starken Einfluss auf die Entladung haben.
Schoenbach, K. H., A. EI-Habachi, W. Shi und M. Ciocca beschreiben in einem Beitrag "High-pressure hollow cathode discharges", Plasma Sources Sci. Technol. 6, (1997) auf Seiten 468-477 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas. Die Entladung findet in einem Loch zwischen zwei paralellen Elektroden an beiden Ränder des Loches statt. Die Voraussetzung für die Aufrechterhaltung dieser Entladung ist ein Durchmesser des Loches, der mit der freien Wegelänge der Elektronen vergleichbar ist. Dies bedeutet bei Atmosphärendruck einen Lochdurchmesser im Mikrometer- Bereich. Bei derartig geringen Abmessungen ist die stabile Funktion der Mikro-Hohlkathoden-Entladungen beim Einsatz schichtbildender Gase beeinträchtigt. Es kommt zu einer regelrechten Verstopfung der Löcher.
In der DE 197 22 624 A1 ist eine Plasmaquelle zur Erzeugung einer Matrix von Plasmajets beschrieben. Die einzelnen Plasmajets werden aus einer Hochfrequenz-Hohlkathodenentladung extrahiert. Basierend auf diesem Prinzip wurden Plasmaquellen realisiert, die bis zu einem Druckbereich von mehreren hundert mbar gezündet und betrieben werden können. Eine weitere Skalierung der Quellendimensionen, um den Betrieb unter Atmosphärendruck zu ermöglichen, ist nicht trivial und stößt auf fundamentale Fertigungsprobleme. Darüber hinaus eignet sich eine derartige Vorrichtung nicht als eine Quelle von metastabil angeregten Spezies, da die beiden Anregungselektroden sowie die Kathoden- und Anoden-Hohlräume aus metallischen Werkstoffen hergestellt werden und damit die Erzeugung von metastabil angeregten Spezies beeinträchtigen.
Auf der Basis der zuletzt erwähnten Erfindung wurde für die großflächigen Plasmaquellen des Hohlkathoden-Jet-Typus, die fraktale Gaszuführung entwickelt und in dem Beitrag von D. Korzec, G. Fedosenko, and J. Engemann in Surface and Coatings Technology 131 (2000) auf Seiten 20-25 beschrieben. Dieses Konzept liegt in einer abgewandelten Form auch dem Gasverteilungssystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Grunde.
In der US 6,262,523 beschreibt G. S. Selwyn eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmajet mit Hilfe einer kapazitiven Hochfrequenzanregung von 13.56 MHz. Im Gegensatz zu einer thermischen Plasmafackel bleibt die Temperatur der Neutralteilchen in solchem Plasma unter 250°C. Ein wesentliches Merkmal dieser Vorrichtung ist die Übertragung der Energie von dem Entladungsort zu dem Prozessort mit Hilfe von langlebigen metastabil angeregten Atomen und chemisch angeregten Spezies. Die Anwendung von Helium-Sauerstoff-Gasgemischen ermöglicht die Anwendung der Vorrichtung zur Hochraten-Abtragung von organischen Schichten. Die Bauweise der Vorrichtung schränkt jedoch die Anwendbarkeit auf kleine Flächen ein, da mit den eingesetzten konstruktiven Merkmalen im wesentlichen ein Einzeljet erzeugt wird.
Die US 5,061,876 beschreibt die Anwendung der Oberflächenentladung in einem Plasma-Bildschirm.
Die US 5,945,790 beschreibt eine Lampe, die auf der Basis einer Oberflächenentladung funktioniert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Behandlung von Substraten, insbesondere zur Behandlung von flächenartig oder bahnförmig ausgebildeten Substraten mit einer großen Oberfläche zu schaffen, die eine homogene Substratbearbeitung ermöglicht und einfach aufgebaut ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines APG-Plasmas vorgesehen, umfassend eine Elektrodenanordnung mit einer Vielzahl von Kanälen für einen Durchtritt eines Gases von einer Gaszuführung durch die Elektrodenanordnung hindurch zu einem Prozessraum, wobei die Kanäle jeweils einen Abschnitt mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß umfassen, wobei dem Gaseinlaß ein den Kanal umrandender Kathodenbereich und dem Gasauslaß ein den Kanal umrandender Anodenbereich zugeordnet ist, wobei zwischen dem Kathodenbereich und dem Anodenbereich ein Isolator angeordnet ist, und wobei die Wandung des Kanals von einem isolierenden Material gebildet ist.
Es handelt sich dabei um eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls oder einer Strömung, oder einer Vielzahl von Strahlen oder Strömungen von metastabil angeregten Atomen bzw. Molekülen mittels einer isolierten Oberflächenentladung, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass ein Gasfluss durch eine Vielzahl von Kanälen in der Elektrodenanordnung stattfindet, vorzugsweise in gleichen Mengen fließt, und in jedem dieser Kanäle die Entladungen unter hohem Druck brennen.
Das Prinzip der Erfindung besteht zunächst darin, ein APG-Plasma, also ein Atmosphären-Glimmentladungs-Plasma (atmospheric pressure glow) zu erzeugen. Eine Vorrichtung, die ein APG-Plasma zur Behandlung großflächiger Materialien verwendet, ist der Anmelderin nicht bekannt. Als APG- Plasma wird zunächst ein Plasma bezeichnet, welches in einem Druckbereich von mehreren 100 mbar bis zu einem Druck von bis zu 10 bar erzeugt wird. Insbesondere handelt es sich bei einem APG-Plasma um ein Plasma, welches im wesentlichen unter Atmosphärendruck gezündet wird.
Der Begriff APG-Plasma bezeichnet darüber hinaus allgemein ein Plasma, welches innerhalb eines Volumens zwischen zwei Elektroden gezündet wird, wobei das Volumen von den Elektroden durch einen Isolator getrennt ist. Erfindungsgemäß wird das APG-Plasma in einem Kanal gezündet, der eine Wandung aus isolierendem Material aufweist.
Die Besonderheit eines APG-Plasmas in Abgrenzung zu einem Hohlkathoden-Plasma besteht deshalb insbesondere darin, dass das Plasma mit den metallischen Elektroden nicht in Kontakt kommt. Die zur Plasma-Erzeugung notwendige Energie wird kapzitiv in den Kanal eingekoppelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt eine Vielzahl von Strahlen von metastabil angeregten Atomen oder Molekülen, mittels denen großflächige, insbesondere bahnförmige Substrate, sehr gleichmäßig behandelt werden können.
Eine erfindungsgemäße, wesentliche Besonderheit besteht darin, dass Kathodenbereiche und davon beabstandet Anodenbereiche jeweils einen Kanal, beabstandet voneinander, umranden. Kathodenbereich und Anodenbereich sind auf diese Weise jeweils im wesentlichen ringförmig ausgebildet und können vorteilhafterweise axial zueinander fluchtend ausgerichtet sein. Die Längsachse dieser Paaranordnung von Kathodenbereich und Anodenbereich fällt mit der Strömungsrichtung des Gases zusammen. Auf diese Weise kann eine sehr lange Entladungsstrecke realisiert werden, die beim Stand der Technik aufgrund einer geometrisch vollständig anderen Anordnung nicht erreichbar war. Erfindungsgemäß findet eine Gasströmung nunmehr von einem Kathodenbereich zu einem Anodenbereich statt, wohingegen der Stand der Technik einen Gasfluss zwischen einer Kathode und einer Anode hindurch vorsah.
Während die Vorrichtungen des Standes der Technik eine geometrische Anordnung der Art vorsahen, dass die Strömungsrichtung des Gases durch das Entladungsvolumen hindurch im wesentlichen senkrecht zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen Anode und Kathode stand, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Strömungsrichtung des Gases im wesentlichen parallel zu einer derartigen Verbindungslinie anzuordnen.
Hinsichtlich der Begriffe Kathodenbereich und Anodenbereich bzw. Kathode und Anode im Sinne der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass es zunächst beliebig ist, welche der Elektroden als Anode und welche als Kathode geschaltet ist. Es kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, den dem Gaseinlass des Kanalabschnitts zugeordneten Elektrodenbereich als Anode zu schalten, um entsprechend den dem Gasauslaß zugeordneten Elektrodenbereich als Kathode zu schalten.
In der einfachsten Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder Kanal lediglich einen Abschnitt mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß. Es kann aber auch vorgesehen sein, mehrere Abschnitte vorzusehen, so dass es zu einem schichtartigen Aufbau von drei oder mehr Elektroden kommt, die, in Strömungsrichtung des Gases betrachtet, jeweils abwechselnd als Anode und Kathode geschaltet sind.
Erfindungsgemäß ist die Wandung des Kanals von einem isolierenden Material gebildet. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung auch, dass sich die aus Isoliermaterial bestehende Kanalwandung auch noch bis zu dem Gaseinlaß respektive bis zu dem Gasauslaß erstreckt, so dass der Kathodenbereich und der Anodenbereich durch die Wandung des Kanals von dem Kanal elektrisch getrennt sind. Dies ist vorgesehen, um einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Plasma bzw. den im Plasma enthaltenen Partikeln und den Elektroden zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrodenanordnung ermöglicht die Konstruktion von Elektrodenanordnungen lediglich geringer Dicke. So wird ein plattenartiger Aufbau möglich, der in konstruktiver Hinsicht zu einer Vielzahl von Vorteilen führen kann.
Die Beschichtung der Elektroden mit einer Isolier-Beschichtung, insbesondere mit einem Polymer-Überzug, bewirkt die Minimierung der Vernichtung von metastabil angeregten Atomen und Molekülen. Alternativ können beispielsweise auch Isolierbeschichtungen in Form sogenannter Schichtkeramiken in Form von "Green-Tapes" vorgesehen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein hoher Gasfluss möglich. Dementsprechend lässt sich eine weitere Verlängerung der Lebenszeit der metastabil angeregten Spezies erreichen. Lebensdauern von bis zu 0,05 ms wurden erreicht.
Ein Frequenzbereich von ca. 1 kHz bis zu wenigen Zehn kHz reicht aus, um im Betriebsmodus der Atmosphärendruck-Glimmentladung zu arbeiten und ermöglicht eine kapazitive Leistungseinkopplung durch eine dielektrische Barriere. Aufgrund des Betriebes im niedrigen kHz Bereich kann auf eine teuere Abstimmeinheit verzichtet werden. Auch die dielektrischen Verluste sind im Vergleich zu Hochfrequenz oder Mikrowellen wesentlich kleiner.
Der Durchmesser des Kanals ist im Gegensatz zu einer Gasdurchtrittsöffnung bei einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Hohlkathoden-Plasmas nicht auf wenige Mikrometer, also auf die Dimension der freien Weglänge der Elektroden, begrenzt.
Wesentlich ist, dass das den Kanal durchströmende Gas in Kontakt mit dem Atmosphärendruck-Plasma tritt. Bei einer Atmosphärendruck-Glimmentladung beträgt die Zone des Plasmas z. B. mehrere Zehntel Millimeter zwischen der Wandung des Kanals und der Mittellängsachse des Kanals. Mit steigendem Fluss steigen die Lebensdauern von metastabil angeregten Spezies und damit auch die Dicke des Plasmas.
Der wirtschaftliche Nutzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht u. a. darin, dass sie neue technologische Möglichkeiten bietet, um großflächige und bahnförmige Substrate zu behandeln. Dank einer hohen Produktion von metastabil angeregten Atomen bzw. Molekülen und deren direkter Zuführung zu der Substratoberfläche ist es möglich, bereits bekannte Prozesse, wie Oberflächenmodifikation, Reinigung, Entfettung usw. mit höheren Prozessraten und besserer Homogenität durchzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, die Abscheidungsprozesse analog zu Niederdruck PECVD Prozessen durchzuführen. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Substratoberfläche oder sogar deren innere Struktur der Wirkung von metastabil angeregten Spezies auszusetzen. Dies kann durch zusätzliche Zufuhr von Monomeren in Form von Gas, Dampf oder Flüssigkeit an die Substratoberfläche oder in die Substratstruktur realisiert werden.
Ein neuer Kreis von interessanten Anwendungen, die bisher weitgehend unerforscht geblieben sind, ist die Beeinflussung von biologischem Material bzw. von organischem Gewebe durch die Einwirkung von metastabil angeregten Spezies. Die Beeinflussung der Substrateigenschaften im Nanometerbereich ist auch denkbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es darüber hinaus, in Bereichen sehr viel höherer Drücke als bisher zu arbeiten. Neben neuen Anwendungsbereichen bietet sich erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, bisher erforderliche Vakuumpumpen sowie zusätzliche, zur Erzielung eines geringen Druckes erforderliche Bauteile wegzulassen. Hierdurch werden bekannte Vorrichtungen weiter vereinfacht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine Vielzahl von Kathodenbereichen miteinander verbunden und zu einer Gesamt- Kathode zusammengefasst. Entsprechend sind eine Vielzahl von Anodenbereichen miteinander verbunden und zu einer Gesamt-Anode zusammengefasst. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Ausbildung der Elektrodenanordnung. Beispielsweise können auf diese Weise die Elektroden als Beschichtung auf ein dielektrisches Plattenelement aufgebracht werden. Es besteht in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, die Kanäle anschließend durch Vorsehen von Bohrungen zu realisieren und die Wandung der Kanäle gegebenenfalls zumindest teilweise durch Aufbringung einer Versiegelung zu schaffen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kathodenbereich auf seiner zu der Gaszuführung hin gewandten Seite und der Anodenbereich auf seiner zu dem Prozessraum hin gewandten Seite mit einer Abdeckung aus isolierendem Material versehen. Diese Abdeckung kann beispielsweise die vorbeschriebene Versiegelung sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Elektrodenanordnung einen Schichtaufbau aufweist, etwa derart, dass ein im wesentlichen plattenförmiges Element zweiseitig mit einer metallischen Beschichtung versehen ist, wobei auf die Beschichtung wiederum ein Isolator an den Außenseiten angebracht wird. Schließlich kann diese Sandwich-Bauweise mit Bohrungen zur Bildung der Kanäle durchgesetzt werden, wobei die Innenflächen der Bohrungen zur Bildung der Wandung der Kanäle mit einer Isolier-Versiegelung versehen werden.
Das Vorsehen der Abdeckung führt zu einer vollständigen direkten Trennung zwischen Gas bzw. Plasma einerseits und den Elektroden andererseits.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die dem Prozessraum zugewandte Seite der Elektrodenanordnung im wesentlichen vorsprungfrei ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Ausbildung der dem Prozessraum zugewandten Seite der Elektrodenanordnung, so dass ein relativ zu der Elektrodenanordnung an dieser vorbei bewegtes Substrat sehr nah an der Elektrodenanordnung vorbeigeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Prozessraum offen ausgebildet. Dies ermöglicht die Behandlung oder Bearbeitung von Substraten nahezu beliebiger Größe. Außerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhaft in einen kontinuierlichen Bearbeitungsprozess eines Substrats als Bearbeitungsstation eingebaut werden, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus einen geringen Einbauraum benötigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden jeweils ein den Kanal umrandender Kathodenbereich und ein den Kanal umrandender Anodenbereich gemeinsam ein axial fluchtendes Paar von Umrandungsbereichen. Diese geometrisch völlig neuartige Ausbildung eines plasmaerzeugenden Gas-Durchtrittskanals ermöglicht besonders lange Lebenszeiten von metastabil angeregten Atomen und Molekülen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung fließt durch alle Kanäle im wesentlichen der gleiche Gasstrom. Dies gewährleistet eine besonders homogene Bearbeitung eines Substrats.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den nicht zitierten Unteransprüchen sowie anhand der nun folgenden Beschreibung von in den Figur dargestellten Ausführungsbeispielen. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch in teilgeschnittener Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls metastabil angeregter Atome,
Fig. 2 schematisch, in vergrößerter Darstellung, im Querschnitt die Ausführungsform eines einzelnen Entladungskanals, wobei der Kanal als Durchgangsbohrung durch ein Plattenelement und durch eine Versiegelung hindurch angebracht wurde,
Fig. 3 schematisch im Querschnitt in einer Darstellung gemäß Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines einzelnen Entladungskanals, wobei zur Schaffung des Kanals vor der Anbringung einer Versiegelung eine Durchgangsbohrung in dem Plattenelement erstellt wurde,
Fig. 4 schematisch in Draufsicht das Layout einer Elektrodenanordnung mit einer Matrix von 4 × 8 Entladungskanälen,
Fig. 5 schematisch als Prinzipskizze ein fraktales Gasverteilungssystem für eine Elektrodenanordnung gemäß Fig. 4,
Fig. 6 schematisch in teilgeschnittener Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Elektrodenanordnung, und
Fig. 7 schematisch in Draufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Darstellung gemäß Fig. 4 mit vier Elektrodenanordnungen.
Fig. 1 zeigt lediglich schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30:
Eine Elektrodenanordnung 3 umfasst einen Isolator 12, der zwischen zwei Elektroden, einer Anode 5 und einer Kathode 4, angeordnet ist. In der Elektrodenanordnung 3 sind eine Vielzahl von Kanälen 8 angeordnet, die nach Art von Durchtrittsöffnungen oder Durchtrittsbohrungen ausgestaltet sind. Fig. 1 zeigt der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei dieser Kanäle 8.
Fig. 1 verdeutlicht schematisch, dass Gas von einer Gaszuführung 36 über eine Gasverteilung 7 der Elektrodenanordnung 3 zugeführt wird. Bei dem Durchtritt des Gases durch die Kanäle 8 der Elektrodenanordnung 3 hindurch wird ein Plasma 1, und zwar erfindungsgemäß ein so genanntes Atmosphärendruck-Glimmentladungs-Plasma, erzeugt. Das Plasma erzeugt durch den Durchtritt des Gases einen Strahl 2 metastabil angeregter Partikel, insbesondere metastabil angeregter Atome und Moleküle. Diese werden zur Behandlung eines Substrates 9 verwendet, welches in einem Prozessraum 40 angeordnet ist und relativ zu der Vorrichtung 30 eine Bewegung durchlaufen kann.
Die beiden Elektroden 4, 5 sind über Anschlussleitungen 10, 11, deren Anordnung Fig. 1 lediglich prinzipienhaft zeigt, mit einer Spannungsquelle 6 verbunden. Die Spannungsquelle 6 versorgt die Elektroden 4, 5 mit einer Wechselspannung von typischerweise 500 bis 3000 Volt, wobei die Frequenz dieser Spannung typischerweise in einem Bereich zwischen 1 und 10 kHz liegt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch in Einzeldarstellung jeweils einen Kanal 8 und einen entsprechenden, den Kanal bildenden Bereich der Elektrodenanordnung 3, wobei die beiden Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 und Fig. 3 unterschiedlich sind.
Der Kanal 8 gemäß Fig. 2, der nicht maßstabgetreu abgebildet ist, ist im wesentlichen langgestreckt ausgebildet und verläuft entlang einer Geraden 14, welche die Symmetrieachse des im Querschnitt vorzugsweise kreisförmigen Kanals 8 ausbildet.
Bei den in den Figur dargestellten Ausführungsformen weist jeder Kanal 8 lediglich einen Abschnitt 41 mit einem Gaseinlaß 37 und einem Gasauslaß 38 auf. Der Abschnitt 41 erstreckt sich bei den Ausführungsbeispielen somit über den gesamten Kanal 8.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, auch mehrere Abschnitte 41 in Strömungsrichtung 15 des Gases hintereinander anzuordnen, so dass eine Sandwich-Bauweise entsteht. Wichtig ist in diesem Zusammenhang nur, dass die schichtartig aufeinander folgenden Elektroden 4, 5 jeweils fortlaufend abwechselnd als Kathode bzw. Anode geschaltet sind.
Der Kanal 8 gemäß Fig. 2 wird von einer Wandung 31 gebildet. Die Wandung ist ein im Querschnitt der Form des Kanals 8 angepasster, im wesentlichen kreiszylindrisch geformter Werkstoffbereich, der zum Teil von dem Isolator 12 und zu einem Teil von einer isolierenden Versiegelungsschicht 13 gebildet wird. Das im wesentlichen entlang einer Ebene E ausgerichtete Plattenelement 12 ist bei den Ausführungsbeispielen auf seinen beiden Außenseiten 47a, 47b jeweils mit einer Metallbeschichtung versehen, welche die Elektroden 4, 5 bereitstellt.
Der Gaseinlaß 37 des Kanals 8 gemäß Fig. 2 ist von einem Kathodenbereich 34 umrandet. Der Kathodenbereich 34 ist dabei ein im wesentlichen kreisringförmiger Abschnitt der Gesamt-Kathode 4, innerhalb der, wie dies beispielsweise aus Fig. 4 ersichtlich ist, Ausnehmungen 48 mit einem Durchmesser d angeordnet sind. Die Werkstoffbereiche des Isolators 12, die die Wandung 31 des Kanals 8 ausbilden, erstrecken sich also näher an die Längsache 14 des Kanals 8 heran, als die Kathodenbereiche 34.
In analoger Weise umranden Anodenbereiche 35 den Gasauslaß 38 des Kanals 8.
Auf der der Gaszuführung 36 zugewandten Seite 42 des Kathodenbereiches 34 und auf der dem Prozessraum 40 zugewandten Seite 43 des Anodenbereiches 35 ist jeweils eine Abdeckung 32a angeordnet, die von der Versiegelungsschicht 13 gebildet ist. Die Versiegelungsschicht 13 bildet bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 darüber hinaus eine Abdeckung 32b, die Bestandteil der Wandung 31 ist.
Die Wandung 31 wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 somit von einem Werkstoffbereich des Isolators 12 und von einem Werkstoffbereich 32b der Versiegelungsschicht 13 gebildet.
Wesentlich ist, dass das durch den Gaseinlaß 37 in den Kanal 8 einströmende Gas in keinen direkten, unmittelbaren Kontakt mit den metallischen Elektroden 4, 5 gerät, da ein derartiger Kontakt die Lebensdauer der metastabil angeregten Partikel negativ beeinflussen würde.
In dem Kanal 8 bilden sich elektrische Felder aus, so dass es zur Bildung eines APG-Plasmas 1 kommt, welches entlang der Innenseite 49 der Wandung 31 in dem Kanal 8 brennt. Das Plasma 1 erstreckt sich somit im wesentlichen entlang der Längsache 14 des Kanals 8.
Die Figuren zeigen schematisch eine im wesentlichen toroidale Ausbildung des Plasmas 8, bei der etwa im Bereich der Längsache 14 eines Kanals 8 ein plasmafreier Raum verbleibt. In Abhängigkeit von Spannung, Frequenz, Druck, der Art des verwendeten Gases und der Geometrie können selbstverständlich auch andere Plasmaformen entstehen. Beispielsweise kann in Abhängigkeit des Drucks eine Plasmaform erreicht werden, die filamentartig, hohlzylindrisch oder vollzylindrisch ausgebildet ist. Insgesamt verlässt ein mit dem Pfeif 2 angedeuteter Strahl aus überwiegend metastabil angeregten Atomen und Molekülen den Kanal 8 durch den Gasauslaß 38.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zeigt eine alternative Ausbildung des Kanals 8 bzw. dessen Wandung 31:
Hier erstrecken sich die Kathodenbereiche 34 und die Anodenbereiche 35 genau so weit bis an die Längsachse 14 des Kanals 8 heran, wie die Werkstoffbereiche des Isolators 12. Eine Versiegelungsschicht 13 ist auf der der Gaszuführung 36 zugewandten Seite 42 der Kathodenbereiche 34 und auf der dem Prozessraum 40 zugewandten Seite 43 der Anodenbereiche 35 angeordnet. Die Versiegelungsschicht 13 erstreckt sich darüber hinaus in eine Ausnehmung 48 mit Durchmesser d herein und bildet auf diese Weise die im wesentlichen kreiszylindrische Wandung 31 des Kanals 8.
Wiederum ist sichergestellt, dass das den Kanal 8 durchströmende Gas bzw. das Plasma 1 und auch der Strahl 2 metastabil angeregter Partikel nicht mit der metallischen Elektrode 4, 5 in Kontakt gerät.
Eine Herstellung von Elektrodenanordnungen 3 gemäß Fig. 2 kann beispielsweise erfolgen, indem das dielektrische, isolierende Plattenelement 12 beidseitig mit metallischen Elektroden 4, 5 beschichtet wird. Anschließend kann durch geeignete Techniken, beispielsweise durch Ätzen, erreicht werden, das Ausnehmungen 48, wie in Fig. 2 angedeutet, nach Art eines Lochmusters in den Elektroden 4, 5 angebracht werden. Schließlich kann eine Versiegelungsschicht 13 auf den Außenseiten 42, 43 der Elektroden 4, 5 angebracht werden, die auch die Ausnehmungen 48 mit ausfüllt. In einem letzten Arbeitsschritt können zur Bildung der Kanäle 8 Durchgangsbohrungen vorgesehen werden, die die gesamte Elektrodenanordnung 3 durchgreifen.
Eine Herstellung der Elektrodenanordnung 3 gemäß Fig. 3 kann auf einfache Weise derart erfolgen, dass ein dielektrisches Plattenelement 12 auf seinen beiden Außenseiten 47a, 47b mit einer metallischen Beschichtung zur Ausbildung der Elektroden 4, 5 durchgängig, also vollflächig, versehen wird. Nunmehr können Durchgangsbohrungen durch die Elektroden 4, 5 und den Isolator 12 hindurch vorgenommen werden, wobei der Durchmesser der Bohrungen etwa d beträgt. Schließlich kann auf die derart hergestellte Anordnung eine Versiegelungsschicht 13 angebracht werden, welche die Elektroden 4, 5 auf ihren Außenseiten und den Isolator 12 mit umhüllt, so dass die Kanäle 8 gebildet werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ermöglicht eine effiziente Ausgestaltung der Kanäle 8, beispielsweise durch eine Einarbeitung mittels Lasertechnik. Die Isolierungsschicht 13 kann in diesem Fall durch einen PECVD-Prozeß, durch Eintauchen in einer Versiegelungsflüssigkeit od. dgl. aufgebracht werden.
Eine Herstellung der Kanäle 8 als Durchgangsbohrungen durch die gesamte Elektrodenanordnung 3 hindurch, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, ermöglicht die Vornahme von Durchgangsbohrungen beispielsweise mittels Bohr- oder Fräswerkzeugen. Die Isolierungsschicht 13 kann mit dem "spin-coat"-Verfahren oder durch ein PVD-Verfahren aufgetragen werden.
Wichtig in beiden Fällen ist das Material der Versiegelung. Es ist bekannt, dass einige Polymere die Eigenschaft haben mit den metastabil angeregten Spezies nur sehr schwach wechselzuwirken. So führt z. B. bei reinem Helium, bei dem die Verluste an den Flächen eine sehr wichtige Rolle spielen, die Anwendung eines entsprechenden Isoliermaterials zu einer wesentlichen Verlängerung der Lebenszeit von metastabil angeregtem Helium. Der Beitrag von D. Korzec et al "Insulated surface discharge for metastables driven processing at atmospheric pressure", der zur Veröffentlichung in Surface and Coatings Technology eingereicht wurde, zeigt, dass die Anwendung eines Silikonharzes als Isoliermaterial eine Verlängerung der Lebenszeit von metastabil angeregtem Helium bis auf 50 Mikrosekunden bewirkt. Die typischen Lebenszeiten bei einer unbeschichteten Elektrode betragen dagegen nur wenige Mikrosekunden.
Die Art der erzeugten Entladung hat einen starken Einfluss auf die geometrischen Merkmale der Elektrodenanordnung 3. So wird z. B. bei einem Übergang von einer Streamer-Entladung zu einer Atmosphärendruck-Glimmentladung die Dicke des Plasmas um Größenordnungen größer, wodurch auch bei einem relativ großen Durchmesser des Kanals der gesamte Querschnitt des Kanals mit Plasma 1 gefüllt wird, wodurch eine effiziente Anreicherung der metastabil angeregten Spezies in der Gasströmung möglich wird.
Zusammenfassend lassen die beiden Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 und 3 deutlich erkennen, dass die Elektroden 4, 5 in die Elektrodenanordnung 3 vollständig eingebettet sind, so dass die elektromagnetische Energie in das Plasma 1 nur kapazitiv eingekoppelt wird und eine direkte Verbindung zwischen den Elektroden und dem Plasma 1 vermieden wird.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem die Elektrodenanordnung 3 eine Matrix von 4 × 8 Kanälen 8 umfasst. Schematisch dargestellt ist die Elektrodenanordnung 3 gemäß Fig. 1 in Draufsicht, so dass erkennbar wird, dass die Kathode 4 durchgehend ausgebildet ist und ein Lochmuster aufweist. Jedem Kanal 8 ist ein Kathodenbereich 34 zugeordnet, wobei alle Kathodenbereiche 34 miteinander verbunden sind.
In Fig. 4 ist schematisch ein umlaufender Rand der Kathode 4 dargestellt, der mit einer Außenwandung 16 versehen ist, welche lediglich schematisch skizziert ist. Die Außenwandung 16 besteht wiederum aus einem isolierenden Material und weist eine Wandstärke auf, die deutlich größer ist als die Wandstärke der Wandung 31 des Kanals 8.
Fig. 5 zeigt schematisch eine fraktale Gasverteilung 25 als Bestandteil der Gaszuführung 36. Von einem zentralen Gaseinlaß 23 eines aus Fig. 6 ersichtlichen Quellenkörpers 21, beispielsweise eines Aluminiumblockes, führt eine Vielzahl von Gasleitungen 22 innerhalb des Quellenkörpers 21 zu einer Gasleitungsplatte 19. Die Gasleitungsplatte 19 weist Gasleitungen 20 auf, die das Gas zu Gaslöchern 18 einer Lochplatte 17 hinführen.
Zwischen der Gasleitungsplatte 19 und der Elektrodenanordnung 3 ist die Gaslochplatte 17 angeordnet, um einen definierten Überdruck aufrechtzuerhalten.
Das besondere dieses Systems der Gasverteilung 7 ist, dass es sich, wie Fig. 5 skizziert, um eine fraktale Gasverteilung 25 handelt. Durch Anordnung einer Vielzahl von Verzweigungen 26 entlang dem Strömungsweg des Gases wird gewährleistet, dass sich der Gasstrom immer auf zwei gleich Teilströme aufsplittet, so dass schließlich jeder Kanal 8 durch einen im wesentlichen gleichen Gasstrom durchflossen wird. Dies ermöglicht eine besonders homogene Bearbeitung eines Substrates 9.
Das Prinzip einer fraktalen Gasverteilung 25 setzt voraus, dass die Kanäle 8 in einer Matrix mit 2ⁿ × 2^m Spalten und Reihen angeordnet sind, wobei n und m Zahlen aus der Reihe 1, 2, 4, 8, 16 usw. sind. Der Strömungsweg zwischen dem zentralen Gaseinlaß 23 des Quellenkörpers 21 und den einzelnen Kanälen 8 kann auf diese Weise für alle Kanäle 8 im wesentlichen gleich gehalten werden. Die Abzweigungen 26 halbieren somit jeweils die Gasströme.
Fig. 6 zeigt deutlich, dass zumindest ein Teil der Gasleitungen 22 unmittelbar in dem Quellenkörper 21 angeordnet bzw. in diesen eingearbeitet ist. Die Lochplatte 17 und die Gasleitungsplatte 19 mit der fraktalen Gasverteilung 25 können an dem beispielsweise als Aluminiumblock ausgebildeten Quellenkörper 21 befestigt sein. Die im wesentlichen flächig ausgebildete Elektrodenanordnung 3 ist bezüglich Fig. 6 unterhalb der Gasleitungsplatte 19 angeordnet und mittels Klemmelementen 24, beispielsweise in Leistenform, an dem Quellenkörper 21 befestigt.
Die dem Prozessraum 40 zugewandte Seite 44 der Elektrodenanordnung 3 ist, wie sich aus Fig. 6 ergibt, im wesentlichen vorsprungfrei ausgebildet, also eben. Dies ermöglicht einen besonders geringen Abstand zwischen dem Substrat 9 und der Elektrodenanordnung 3, was bei der Bearbeitung von einigen Substraten von besonderem Vorteil ist.
Die Klemmelemente 24 ragen nur geringfügig über die dem Prozessraum 40 zugewandte Seite 44 der Elektrodenanordnung 3 in den Prozessraum 40 hinein. Auch dies trägt dazu bei, dass die zu behandelnden Substrate 9 sehr nah an den Gasauslässen 38 der Kanäle 8 vorbeibewegt werden können.
Fig. 6 zeigt schematisch die Außenwandung 16 des umlaufenden Randbereiches der Anode 5 bzw. der Kathode 4. Eine Isolier-Versiegelung 16 ist hier wichtig, da eine parasitäre Entladung an diesen Stellen leicht zünden kann, aber unerwünscht ist. Dies betrifft gleichermaßen die Außenkanten der Kathode 4 und der Anode 5. Vorteilhafterweise ist diese Außenwandung 16, was Fig. 6 lediglich andeutet, wesentlich stärker ausgebildet als die Isolierungsschicht 13 im Bereich der Kathodenbereiche 34 und der Anodenbereiche 35, bzw. deutlich stärker als die Wanddicke der Wandung 31 des Kanals 8.
Fig. 6 zeigt darüber hinaus Anschlussleitungen 10 und 11, die ebenfalls innerhalb des Quellenkörpers 21 geführt sind. Die Anschlussleitungen 10, 11 sind mittels Anschlusselementen 46 an die Elektroden 4, 5 angebunden. Wesentlich ist es, dass die Anschlüsse 46 der Anschlussleitungen 10, 11 auf der der Gaszuführung 36 zugewandten Seite 45 der Elektrodenanordnung 3 oder zumindest nahe dieser Seite 45 angeordnet sind, wie dies Fig. 6 zeigt. Die Anschlüsse 46 befinden sich somit auf der dem Prozessraum 40 abgewandten Seite der dem Prozessraum 40 benachbarten Elektrode 5, so dass auch die in der Regel metallischen Anschlüsse 46 weder zu Vorsprüngen der Elektrodenanordnung 3 zu dem Prozessraum 40 hin führen, noch zu störenden Kontakten zwischen Plasma 1 und den metallischen Elektroden 4, 5 führen.
Jeweils eine Elektrodenanordnung 3, eine Gaslochplatte 17 und eine Gasleitungsplatte 19 können zu einem Quellenmodul 27 zusammengefasst sein. Die Bildung von Quellenmodulen 27 ermöglicht eine nahezu beliebig große, zu behandelnde Substratoberfläche.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 zeigt eine lineare Anordnung von vier Quellenmodulen 27, die an einem gemeinsamen, in Fig. 7 nicht dargestellten Quellenkörper 21 montiert sind.
Die Modulbauweise ermöglicht neben beliebigen Behandlungsbreiten auch eine Anpassung der Vorrichtung 30 an unterschiedliche Breiten von Substraten 9 ohne größeren Aufwand. Fig. 7 deutet ein Gasverteilungssystem 7 an, welches eine fraktale Gasverteilung des Gases von dem zentralen Gaseinlaß 23 des Quellenkörpers 21 zu den Gasleitungsplatten 19 des jeweiligen Quellmoduls 27 bereitstellt. Die Zahl der Quellenmodule entspricht der Reihe der Zahlen 1, 2, 4, 8, 16, 32 usw.
Fig. 7 verdeutlicht darüber hinaus, dass bei einer Matrixanordnung von Kanälen 8 vorteilhafterweise ein Winkel α ungleich 0 zwischen der Bewegungsrichtung 28 des Substrats 9 und einer Gerade 39, die durch die Spaltenanordnung der Kanäle 8 definiert wird, besteht.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist α = arcctg (n (n - 1)), wobei n = 2, 4, 8, 16 usw. ist.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figur zeigen eine im wesentlichen plattenförmige Ausbildung der Elektrodenanordnung 3, die für eine Vielzahl von Anwendungsfällen besonders vorteilhaft ist. Es ist jedoch analog auch möglich, dass die Elektrodenanordnung 3 entlang einer gekrümmten Fläche ausgerichtet ist, beispielsweise entlang einer kreiszylindrischen Fläche. Dies könnte beispielsweise die Bearbeitung von rohrförmigen Körpern ermöglichen.
In der vorliegenden Patentanmeldung wurde die der Gaszuführung 36 zugewandte Elektrode als Kathode 4 bzw. als Kathodenbereich 34 und die dem Prozessraum 40 zugewadte Elektrode der Elektrodenanordnung 3 als Anode 5 bzw. als Anodenbereich 35 bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass es zunächst beliebig ist, welche der beiden Elektroden 4, 5 als Anode bzw. als Kathode geschaltet wird. Wichtig ist lediglich, dass zwischen den beiden Elektroden 4, 5 ein elektrisches Feld aufgebaut wird und es innerhalb des Kanals 8 zu einer isolierten Oberflächenentladung kommt. Je nachdem, ob die der Elektrodenanordnung 3 benachbarte Gaslochplatte 17 als Isolator ausgebildet ist oder aus metallischem Material besteht, kann eine entsprechende Schaltung der dieser Gaslochplatte 17 benachbarten Elektrode 4 erfolgen. So ist vorteilhafterweise, wenn die Gaslochplatte 17 aus einem dielektrischen Material besteht, die Elektrode 4 mit hoher Spannung polarisiert und für den Fall, dass die Gaslochplatte 17 aus einem leitenden Material besteht, ist die dieser Gaslochplatte 17 zugewandte Elektrode 4 geerdet.

Claims

1. Vorrichtung (30) zur Erzeugung eines APG-(atmospheric pressure glow/Atmosphären-Glimmentladung)-Plasmas (1), umfassend eine Elektrodenanordnung (3) mit einer Vielzahl von Kanälen (8) für einen Durchtritt eines Gases von einer Gaszuführung (36, 17, 19, 21) durch die Elektrodenanordnung (3) hindurch zu einem Prozessraum (40), wobei die Kanäle (8) jeweils einen Abschnitt (41) mit einem Gaseinlaß (37) und einem Gasauslaß (38) umfassen, wobei dem Gaseinlaß (37) ein den Kanal (8) umrandender Kathodenbereich (34) und dem Gasauslaß (38) ein den Kanal (8) umrandender Anodenbereich (35) zugeordnet ist, wobei zwischen dem Kathodenbereich (34) und dem Anodenbereich (35) ein Isolator (12) angeordnet ist, und wobei die Wandung (31) des Kanals (8) von einem isolierenden Material gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (3) im wesentlichen plattenartig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (3) entlang einer Ebene (E) ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kathodenbereichen (34) miteinander verbunden und zu einer Gesamt-Kathode (4) zusammengefasst und eine Vielzahl von Anodenbereichen (35) miteinander verbunden und zu einer Gesamt- Anode (5) zusammengefasst sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt-Kathode (4) und/oder die Gesamt-Anode (5) flächenartig ausgebildet und insbesondere entlang einer Ebene (E) ausgerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt-Kathode (4) und/oder die Gesamt-Anode (5) durchgehend ausgebildet ist und ein Lochmuster aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (8) bei Betrachtung in Strömungsrichtung (15) des Gases mehrere hintereinander angeordnete Abschnitte (41) umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (8) durchgehend ausgebildet und entlang einer Geraden (14) ausgerichtet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (8) parallel zueinander verlaufen.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenbereich (34) auf seiner zu der Gaszuführung (36) hin gewandten Seite (42) und der Anodenbereich (35) auf seiner zu dem Prozessraum (40) hin gewandten Seite (43) mit einer Abdeckung (32a) aus isolierendem Material versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (Gesamt-Kathode (4) bzw. Gesamt- Anode (5)) im wesentlichen vollständig in einen Isolator (12) eingelassen sind und/oder von einer Abdeckung (32a, 32b) aus isolierendem Material versiegelt sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Prozessraum (40) zugewandte Seite (44) der Elektrodenanordnung (3) im wesentlichen vorsprungfrei ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum (40) offen ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein den Kanal (8) umrandender Kathodenbereich (34) und ein den Kanal (8) umrandender Anodenbereich (35) gemeinsam ein axial fluchtendes Paar von Umrandungsbereichen (34, 35) bilden.

15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch alle Kanäle (8) im wesentlichen der gleiche Gasstrom fließt.

16. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (12) von einem dielektrischen Plattenelement (12) gebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (12) aus einem Material mit niedrigen dielektrischen Verlusten, z. B. aus Keramik, Glas, Kunststoff od. dgl., besteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (12) aus hochreiner Keramik besteht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement eine Wanddicke von 0,2 bis 1,5 mm aufweist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (12) zur Ausbildung der Elektroden (4, 5) beidseitig mit metallischen Schichten versehen ist

21. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5) aus einem gutleitenden Metall wie Kupfer, Silber od. dgl. bestehen.

22. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (Kathode (4) bzw. Anode (5)) geerdet ist und die andere Elektrode (Anode (5) bzw. Kathode (4)) mit einem Hochspannungssignal polarisiert ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochspannungssignal eine Frequenz zwischen 1 und 10 kHz und eine Spannung von 1 bis 5 kV aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 10 und/oder nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (32a) der Elektroden (4, 5) und/oder der den Kathodenbereichen (34) bzw. den Anodenbereichen (35) benachbarte Teil (32b) der Wandung (31) als Versiegelungsschicht (13) mit geringen dielektrischen Verlusten, beispielsweise aus Oxydkeramik wie Al₂O₃, Quarz oder Teflon, bzw. aus Glas oder als ein Polymer ausgebildet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Versiegelungsschicht (13) einige Zehn Mikrometer beträgt.

26. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein umlaufender Randbereich der Gesamt-Kathode (4) bzw. der Gesamt-Anode (5) mit einer Außenwandung (16) aus isolierendem Material versehen ist, die wesentlich dicker ist als die Wandung (31) der Kanäle (8).

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Außenwandung (16) nahe der umlaufenden Außenkanten der Elektroden (4, 5) in der Größenordnung von einem oder mehreren Zehnteln Millimetern liegt.

28. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktierungsanschlüsse (46) der Elektroden (4, 5) nahe einer von dem Prozessraum (40) abgewandten Seite (45) der Elektrodenanordnung (3) angeordnet sind.

29. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (3) an einem Quellenkörper (21) angebracht ist, der die Gaszuführung (36) aufweist.

30. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas den Kanälen (8) mittels einer fraktalen Gasverteilung (25) zugeführt ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, soweit dieser auf Anspruch 29 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die fraktale Gasverteilung (25) in den Quellenkörper (21) eingearbeitet ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die fraktale Gaszuführung (25) eine Platte (19) mit Gaszuführleitungen (20) und eine Lochplatte (17) umfasst, wobei das Lochmuster (18) in der Lochplatte (17) dem Anordnungsmuster der Kanäle (8) in der Elektrodenanordnung (3) entspricht.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatte (17) aus einem dielektrischen Material gefertigt ist und die dieser Lochplatte (17) benachbarte Elektrode (4) mit hoher Spannung polarisiert ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatte (17) aus einem leitenden Material gefertigt ist und die dieser Lochplatte (17) benachbarte Elektrode (4) geerdet ist.

35. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, das eine Elektrodenanordnung (3), eine Lochplatte (17) und eine Gasleitungsplatte (19) zu einem Quellenmodul (27) zusammengefasst sind und mehrere Quellenmodule (27) an einem gemeinsamen Quellenkörper (21) angebracht sind.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Quellenkörper (21) 22 Quellenmodule (27) angeordnet sind, wobei z eine natürliche Zahl ist.

37. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (8) in einer rechteckigen Matrix mit 2ⁿ Reihen und 2^m Spalten angeordnet sind, wobei m und n Zahlen aus der Reihe 1, 2, 4, 8, 16 usw sind.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Prozessraum (40) ein im wesentlichen bahnförmiges oder flächenartig ausgebildetes Substrat (9) angeordnet ist, welches relativ zu der Vorrichtung (30) eine Bewegung durchläuft, wobei zwischen der Bewegungsrichtung (28) des Substrats (9) und einer durch die Spaltenanordnung der Kanäle (8) definierten Geraden (39) ein Winkel α ≠ 0°, insbesondere a = arcctn(n × (n - 1)) gegeben ist.

39. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (8) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

40. Elektrodenanordnung zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 39, umfassend ein im wesentlichen plattenförmiges Element (12), welches an seinen beiden Außenseiten (47a, 47b) mit einer metallischen Beschichtung versehen ist, wobei das plattenförmige Element (12) Durchgangsbohrungen umfasst, die durch das plattenförmige Element (12) und die metallischen Beschichtungen hindurch verlaufen, und eine durchgehende Versiegelung vorgesehen ist, die sowohl die Wandung (31) des Kanals (8) bildet wie auch eine seitliche Abdeckung (32a, 32b) der Elektroden (4, 5) bereitstellt.

41. Elektrodenanordnung zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem dielektrischen Plattenelement (12) metallische Beschichtungen (4, 5) angeordnet sind, welche Ausnehmungen (48) aufweisen, wobei eine Versiegelung (13) für die Außenseite (42, 43) der metallischen Beschichtungen (4, 5) vorgesehen ist, die zumindest teilweise die Ausnehmungen (48) ausfüllt und auf diese Weise Bereiche (32b) der Wandung (31) der Kanäle (8) ausbildet, und wobei Durchgangsbohrungen durch die Versiegelung (13) und durch das dielektrische Plattenelement (12) hindurch vorgesehen sind.