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Die
Erfindung betrifft eine Plasmaquelle zur Erzeugung eines induktiv
gekoppelten Plasmas mit mindestens einer Erregerspule zur Erzeugung
eines veränderlichen
magnetischen Flusses und mit einer magnetischen Polschuhanordnung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für die Erzeugung
großflächiger Plasmen.
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Induktiv
gekoppelte Plasmen zeichnen sich vor allem durch hohe erreichbare
Ionendichten bei niedrigem Plasmapotential und z.B. gegenüber ECR-Plasmen
niedrigeren wirtschaftlichen und technischen Aufwand aus. Außerdem können induktiv gekoppelte
Plasmen vorteilhaft in einem Druckbereich von ca. 0,1 Pa bis etwa
10 Pa eingesetzt werden. Diese Eigenschaften erlauben die in modernen Halbleitereinrichtungen
für die
Bearbeitung kleiner Strukturabmessungen erforderliche unabhängige Steuerung
von Ionendichte und Ionenenergie.
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Auf
Grund der hohen möglichen
Plasmadichten eignen sich induktiv gekoppelten Plasmen auch besonders
für Hochrateprozesse
sowie die Plasmabehandlung großer
Flächen.
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Nach
dem Stand der Technik sind großflächige Anordnungen
von Koppelspulen bekannt, die meist nur ungenügend die Bereitstellung und
Verteilung hoher HF-Ströme,
sowie die homogene Ausbildung von sich zeitlich veränderlicher
magnetischer Flüsse
gewährleisten.
Die geometrische Ausbildung sich zeitlich veränderlicher Magnetfelder zur
Leistungseinkopplung in das Plasma ist nur über die geometrische Form der
Erregerspulen selbst möglich.
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Die
DE 698 12 830 T2 (
EP 908 923 B1 )
beschreibt eine Vor- richtung zur Erzeugung eines ausgedehnten Induktionsplasmas
zur Plasmabehandlung von Substraten. Eine Plasmabearbeitungsvorrichtung
weist eine Bearbeitungskammer mit mindestens einer Öffnung zum
Aufnehmen von Feldenergie durch induktives Koppeln und mindestens
eine Feldenergiequelle zum Induzieren der Feldenergie durch die Öffnung auf.
Die induktive Feldenergiequelle weist eine Induktoreinrichtung auf,
die einem Magnetkern zugeordnet ist, der einen Abschluss und eine Gasdichtung
für die Öffnung bildet.
Die Kombination aus Magnetkern mit dem Induktor dient zum Erhöhen und
Homogenisieren des von dem Induktor erzeugten magnetischen Feldes.
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Durch
eine Formgebung der magnetischen Polschuhanordnungen kann auch die
Plasmaausbildung beeinflusst werden. Mit der Verwendung von magnetischen
Polschuhanordnungen wird der Großteil des Magnetfeldes im magnetischen
Kern gesammelt, wodurch ein verstärktes zeitlich variierendes Magnetfeld
zur Kopplung in das Plasmagebiet zur Verfügung steht. Auch hier ist der
technische Aufwand für
die großflächige, homogene
Plasmaerzeugung jedoch sehr hoch.
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Die
DE 196 06 375 A1 offenbart
eine Plasmaquelle mit eingekoppelten Whistler- oder Helikonwellen.
Die Plasmaquelle befindet sich oberhalb einer Prozesskammer, in
der sich ein zu bearbeitendes Substrat befindet, und weist eine
untere Quarzscheibe als Trennwand zur Prozesskammer und eine obere
Shunt-Platte für
Magnete auf. Mehrere Magnete sind nebeneinander und in Halterungen
angeordnet, wobei die nebeneinander liegenden Magnete abwechselnde
Polaritäten
aufweisen, so dass sich im Plasmaraum gekrümmte Magnetfelder ausbilden.
In den Hohlräumen,
die zwischen der Quarzscheibe, der Shunt-Platte und den Magnethalterungen
gebildet werden, befinden sich Stäbe von Antennen, mit denen
die Helikonwellen erzeugt werden.
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Der
Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Erzeugung eines Plasmas der eingangs genannten Art mit wesentlich
geringerem wirtschaftlichen und technischen Aufwand anzugeben. Insbesondere
soll die Erfindung die Schaffung von Plasmaquellen zur Erzeugung
großflächiger und/oder
großvolumiger
Plasmen ermöglichen.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten
Ausführung
der Erfindung, einschließlich
der Zeichnung, näher
dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Plasmaquelle
zur Erzeugung eines induktiv gekoppelten Plasmas weist mindestens
eine Erregerspule zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Flusses
mit einer magnetischen Polschuhanordnung auf, bei der die Erregerspule
in Nuten eines Erregerkernes angeordnet ist. Das induktiv gekoppelte
Plasma wird vor der magnetischen Polschuhanordnung und innerhalb
einer Vakuumkammer erzeugt. An der Plasmaquelle ist mindestens eine
Multipolmagnetanordnung vorhanden, die derart angeordnet ist, dass
sich ihr Magnetfeld mit dem induktiv gekoppelten Plasma überlagert.
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Vielfach
kann die magnetischen Polschuhanordnung einschließlich der
Multipolmagnetanordnung innerhalb der Vakuumkammer angeordnet werden.
Es ist aber auch möglich,
die magnetische Polschuhanordnung außerhalb der Vakuumkammer anzuordnen,
wobei der veränderliche
magnetische Fluss durch ein dielektrisches Fenster hindurch wirkt und
in der Vakuumkammer ein induktiv gekoppeltes Plasma ausgebildet
wird. Dabei kann die Multipolmagnetanordnung vor oder hinter dem
dielektrischen Fenster positioniert sein.
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In
vorteilhaften Weiterbildungen kann vor der magnetischen Polschuhanordnung
ein geschlitztes, nicht magnetisches, elektrisch leitfähiges Blech
vorhanden sein, das auf Massepotenzial gelegt sein kann. Damit kann
die kapazitive Kopplung der Erregerspule in das Plasma verringert
werden und das Plasmarandschichtpotenzial und damit das Wandsputtern
mit hochenergetischen Teilchen wird verringert.
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Die
magnetische Polschuhanordnung kann zur Ausbildung spezifischer Plasmen
linienartig, kreisförmig
oder in anderer Weise geometrisch geformt ausgebildet sein und zur
Minderung elektrischer Verluste kann die magnetische Polschuhanordnung
segmentiert aufgebaut sein.
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Vorteilhaft
ist es, die Erregerspule innerhalb der magnetischen Polschuhanordnung
in einer gut wärmeleitenden
und elektrisch isolierenden Keramik einzubetten. Damit ist eine
gute elektrische Isolation gegenüber
der Polschuhanordnung und eine effektive Kühlung im Bereich der Polschuhe
möglich.
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Entsprechend
der Aufgabe der Erfindung können
dem konkreten technologischen Erfordernis mehrere einzelne Plasmaquellen
als großflächige Plasmaquelle
angeordnet werden. Mindestens zwei Plasmaquellen können jeweils
an der Wand der Vakuumkammer derart angeordnet werden, dass sich die
Magnetlinien der zugehörigen
Multipolmagnetanordnungen als gemeinsame geschlossene Magnetlinien
ausbilden.
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Die
Erregerspulen der einzelnen Plasmaquellen können mit einzelnen Leistungsversorgern oder über Leistungssplitter
mit einem gemeinsamen Leistungsversorger verbunden sein und die
Erregerspulen können
mit gleich oder mit unterschiedlich hohen Wechselströmen und/oder
phasengleichen oder zueinander phasenversetzten Wechselströmen betrieben
werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die
Zeichnung zeigt in den 1, 2, 3 und 4 verschiedene
Anordnungen der erfindungsgemäßen magnetischen
Polschuhanordnung einschließlich
der Multipolmagnetanordnungen zur Erzeugung von linearen induktiv
gekoppelten Plasmen. 5 zeigt eine Plasmaquelle mit
zwei Einzelanordnungen an einer zylindrischen oder auch rechteckförmigen Vakuumkammer.
Die 6a und 6b zeigen
konstruktive Ausgestaltungen einer Plasmaquelle ähnlich der Ausführung nach 4.
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Die
erfindungsgemäße Plasmaquelle
nach 1 zeigt einen Schnitt durch eine lineare Anordnung
an einem dielektrischen Fenster 3, die zur Vakuumtrennung
in der Wand 100 einer Vakuumkammer eingelassen ist. Auf
der Atmosphärenseite
befindet sich eine magnetische Polschuhanordnung 2 mit Polschuhen 61, 62 und 63,
in der mindestens eine Erregerspule 1 integriert ist. Die
Erregerspule 1 ist in zwei nebeneinanderliegenden rechteckförmigen Nuten 6 und 7 mit
elektrischen Isolierkörpern 4 und 5 angeordnet.
Die Erregerspule 1 ist als Flachspule mit einer oder auch
mehreren Windungen ausgebildet. Beidseitig entlang der magnetischen
Polschuhanordnung 2 befinden sich die Multipolmagnetanordnungen 8 und 9,
die über
einen magnetischen Rückschluss 10 miteinander
verbunden sind.
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Wird
die Erregerspule 1 von einem Wechselstrom mit geeigneter
Frequenz durchflossen, kommt es, um jeden Leiter der Erregerspule 1 herum,
zur Ausbildung eines zeitlich veränderlichen magnetischen Flusses.
Vor der magnetischen Polschuhanordnung 2 wird ein Halbraum
des magnetischen Flusses der Erregerspule aufgenommen und verdichtet. Im
Bereich der Polschuhe 61, 62 und 63 treten
verdichtete Magnetflusslinien aus und durchdringen das dielektrische
Fenster 3. Unter der Voraussetzung das sich vor dem dielek trischen
Fenster 3 in der Vakuumkammer ein zündfähiges Gas im Niederdruckbereich befindet,
kommt es zur Zündung
einer induktiv gekoppelten Gasentladung und Ausbildung eines Plasmas.
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Zwischen
den magnetischen Polen der Multipolmagnetanordnungen 8 und 9 ist
zusätzlich
ein weitreichendes statisches oder auch zeitlich veränderliches
Magnetfeld ausgebildet, wodurch eine sogenannte magnetische Flasche
gebildet wird. Dieses Magnetfeld überlagert das induktiv gekoppelte
Plasma und führt
zu einer Verdichtung und Eingrenzung des Plasmas im Bereich der
Plasmaerzeugung.
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2 zeigt
eine ähnliche
Vorrichtung wie 1, nur das die Plasmaquelle
direkt in der Vakuumkammer eingebaut ist. Mit dieser Plasmaquelle können auch
höhere
Magnetflüsse
im Nahbereich der magnetischen Polschuhanordnung 2 zur
induktiven Einkopplung von HF-Leistung in das Plasma genutzt werden.
Zum Schutz vor Verschmutzung und reaktiven Teilchen ist die Plasmaquelle
in ein Schutzgehäuse 11 eingebaut
und das dielektrische Fenster 3 dient nicht mehr als Vakuumdichtung
sondern nur noch als Schutzplatte, wodurch die Dicke des Fensters 3 deutlich
geringer sein kann.
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In
den 3 und 4 sind weitere Varianten von
Plasmaquellen dargestellt. Bei diesen Vorrichtungen befinden sich
die Multipolmagnetanordnungen 17, 18, 22 und 23 in
axial verschobener Position auf der Seite des dielektrischen Fensters 3,
auf der auch das induktiv gekoppelte Plasma erzeugt wird.
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3 zeigt
dabei eine Variante bei der sich die Erregerspule 1 mit
der magnetischen Polschuhanordnung 2 auf der Atmosphärenseite
des dielektrischen Fensters 3 befinden. Die Gehäusebaugruppen 15 und 16 dienen
auch hier zum Schutz vor Verschmutzung und reaktiven Teilchen und
ermöglichen die
Kühlung
der magnetischen Polschuhe.
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4 stellt
eine Vorrichtung dar, die mittels eines Flansches 20 in
der Vakuumkammer eingebaut ist. Die Gehäusebaugruppe 21 dient
ebenfalls zum Schutz vor Verschmutzung und reaktiven Teilchen sowie
ermöglicht
die Kühlung
der magnetischen Polschuhanordnung 2.
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Durch
die besondere Lage der Multipolmagnetanordnungen 17, 18, 22 und 23 entsprechend 3 und 4 in
der Nähe
der Plasmaerzeugung wird ein starker Einfluss auf die Formung des
erzeugten Plasmas erreicht. Werden z.B. die gegenüberstehenden
Multipolmagnetanordnungen 17, 18, 22 und 23 mit
entgegengesetzter Polung aufgebaut, kommt es zum Einschluss und
Konzentration des Plasmas im Zwischenbereich der Multipolmagnetanordnungen 17, 18, 22 und 23.
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Sind
die Multipolmagnetanordnungen 17, 18, 22 und 23 mit
gleicher Polung aufgebaut, bildet sich ein starkes magnetisches
Streufeld in Richtung des dielektrischen Fensters 3 aus.
Dadurch kommt es zu einer verstärkten
Ausdehnung des Plasmas besonders in Richtung eines Substrates im
Inneren der Vakuumkammer.
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Mit
allen erfindungsgemäßen Plasmaquellen ist
auch der Aufbau von Prozessanordnungen für Remote-Plasmaverfahren als
auch für
Direkt-Plasmaverfahren vorteilhaft möglich.
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In 5 sind
zwei einzelne gegenüber
liegenden Plasmaquellen an einer zylindrischen oder auch rechteckförmigen Vakuumkammer 28 dargestellt.
Damit ist in besonderer Weise eine großräumige Plasmaerzeugung möglich. Die
Multipolmagnetanordnungen 24, 25, 26 und 27 sind
quasi zu einer Helmholtz-Magnetanordnung ausgerichtet und die Magnetfeldlinien 29 reichen
von einer Einzelanordnung zur gegenüber liegenden. Im Mittenbereich
der Vakuumkammer kommt es zu einer großräumigen Plasmaverteilung. Dabei
werden für
die Multipolmagnetanordnungen 24, 25, 26 und 27 bevorzugt
Elektromagnetspulen eingesetzt, wobei die Multipolmagnetanordnungen 24 und 25 und
die Multipolmagnetanordnungen 26 und 27 je eine
Magnetspule bilden.
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Die 6a und 6b zeigen
eine konstruktive Ausgestaltung einer Einbau-Plasmaquelle ähnlich der
nach 4. Diese Plasmaquelle kann in eine Vakuumkammer
eingebaut werden, wobei die HF-Leistungsversorgung, die Gasversorgung,
das Kühlwasser
usw. über
entsprechende Vakuumdurchführungen
von außen
zur Plasmaquelle geführt
werden. Die entsprechende Verbindungselemente zur Versorgung der
Plasmaquelle sind in den 6a und 6b zu
besseren Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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6a zeigt
einen Schnitt senkrecht zur linearen Ausdehnung und 6b eine
isometrische Darstellung. Die Gesamtlänge der Vorrichtung beträgt beispielsweise
400 mm, wobei die magnetische Polschuhanordnung 2 eine
Länge von
250 mm besitzt. Damit erfolgt auch die Plasmaerzeugung über eine Länge von
ca. 250 mm. Die magnetische Polschuhanordnung 2 besteht
aus einer Anzahl einzelner Ferritplatten mit gleicher Abmessung
von 70 mm × 35
mm × 20
mm. Dadurch werden die Wirbelstromverluste in der magnetischen Polschuhanordnung 2 reduziert. Entlang
der linearen Ausdehnung der magnetischen Polschuhanordnung 2 sind
zwei parallele Nute 6 und 7 mit rechteckförmigen Querschnitt
eingearbeitet. Die Querschnittsabmessungen sind 20 mm Breite mal 12
mm Tiefe. Der Abstand der Nute 6 und 7 zueinander
beträgt
30 mm. In die Nute 6 und 7 sind zwei elektrische
Isolierkörper 4 und 5 eingebracht,
die wiederum je zwei parallele Nute zur Aufnahme der Erregerspule 1 enthalten.
Durch die Nute 6 und 7 werden drei Polschuhe 61, 62 und 63 in
linearer Ausrichtung ausgebildet.
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Die
Erregerspule 1 besteht aus Kupferrohr mit einem Außendurchmesser
von 6 mm und einen Innendurchmesser von 4 mm und es sind zwei Windungen
rechteckförmig
in die Isolierkörper 4 und 5 eingelegt.
Durch die Verwendung von Kupferrohr konnte die Erregerspule 1 mit
Wasser gekühlt
werden.
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Die
Polschuhanordnung 2 ist, ausgenommen der Seite der Polschuhe 61, 62 und 63 von
einem Gehäuse 30 umgeben.
Im oberen Bereich des Gehäuses 30 sind
Bohrungen 31 für
eine Wasserkühlung
vorgesehen, wodurch die entstehende Wärme von der magnetischen Polschuhanordnung 2 abgeführt werden
kann.
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Im
Bereich der Polschuhe 61, 62 und 63 sind Befestigungen
für ein
dielektrisches Fenster 3, die unmittelbar die Polschuhe 61, 62 und 63 abschließt, vorhanden.
Links und rechts des Gehäuses 30 sind Multipolmagnetanordnungen 36 und 37 in
Aufnahmen 38 und 39 gehaltert. Das Gehäuse 30 und
die Magnetaufnahmen 38 und 39 umschließen gemeinsam
den Plasmaraum.
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Im
Ausführungsbeispiel
sind die Multipolmagnetanordnungen 36 und 37 mit
Permanentmagneten ausgeführt.
Die Magnetpole der Multipolmagnetanordnungen 38 und 39 sind
dabei so ausgerichtet, das sich die Magnetpole der linken und der
rechten Multipolmagnetanordnung 38 und 39 abstoßen. Dadurch
bildet sich im Zwischenraum ein starkes magnetisches Streu feld aus,
das weit in Richtung eines Substrates ausgedehnt ist.
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Nahe
dem dielektrischen Fenster 3 sind links und rechts im Gehäuse 30 Tieflochbohrungen 32 und 33 mit
radialen Bohrungen in Richtung des Plasmaraumes eingebracht und
erlauben die Gasversorgung direkt in das Plasma hinein. Weitere
radiale Bohrungen zur Gasversorgung befindet sich entlang der Tieflochbohrungen 34 und 35 und
erlauben damit das Einlassen von Gas an der Plasmaaustrittsöffnung 40.
Damit ist ein flexibles Gasduschensystem zur Prozessführung vorhanden.
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Zugehörig ist
noch eine automatischen Matchbox vorhanden, die zur HF-Leistungsanpassung
zwischen HF-Generator und der Plasmaquelle dient. Beispielsweise
wurde ein HF-Generator mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer
maximalen HF-Leistung
von etwa 3000 W eingesetzt.
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Mit
dieser Vorrichtung konnte in der Vakuumkammer, in der Argon in einem
Druckbereich von ca. 1 × 10–4 mbar
bis etwa 1 mbar vorhanden war, ein induktiv gekoppeltes Plasma gezündet und
stabil aufrechterhalten werden. Bei einem Gasdruck von 5 × 10–3 mbar
wurden ca. 500 W HF-Leistung eingespeist. Mit einer Langmuirsonde
konnten dabei in einem Abstand von 100 mm zum dielektrischen Fenster
eine Plasmadichte von ca. 1011cm–3 mit
einer Homogenität
in linearer Ausrichtung von 5% erhalten werden.
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Die
geringen Abmessungen in senkrechter Richtung gegenüber der
vergleichsweise großen
linearen Ausdehnung der Plasmaquelle kann die Multipolmagnetanordnung 38 und 39 relativ
einfach optimiert werden. Bei kontrollierter Bewegung von Substraten
in einem definierten Abstand vor der Plasmaan ordnung können auch
große
Substratflächen
einer wirksamen Plasmabearbeitung ausgesetzt werden.
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Die
lineare Länge
der Einzelanordnungen wird durch elektrischen Verluste in der Erregerspule und
durch die pro Länge
zunehmende Induktivität
der Erregerspule 1 grundsätzlich begrenzt. Mit bekannten
Maßnahmen
wie das Anzapfen der Erregerspule und das gesonderte Einspeisen
von HF-Leistung an den Anzapfungen können diese Probleme jedoch weitgehend
kompensiert werden. Zur Verringerung von Wirbelstromverlusten in
der magnetischen Polschuhanordnung kann diese bevorzugt aus mehreren
einzelnen Platten mit gleichem Querschnitt aufgebaut werden.
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Auch
die Kombination von zwei oder mehreren linearen Einzelanordnungen
führt zu
vorteilhaften neuen Möglichkeiten
der Erzeugung großflächiger als
auch großräumiger Plasmen.
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Zur
Erreichung hoher Bearbeitungsgeschwindigkeiten können z.B. mehrere Einzelanordnungen
als Zeilen- und Spaltenraster aneinandergereiht werden. Ein Zeilenversatz
in der Rasteranordnung ermöglicht
dabei das Auffüllen
des Bereiches zwischen den Rasterlücken mit Plasma, wodurch bei bewegten
Substraten eine homogene Oberflächenbearbeitung
möglich
ist. Obwohl die Kombination mehrerer Einzelanordnung bevorzugt für bewegte Substrate
eingesetzt wird, kann auch eine flächenhafte Anordnung zur Plasmaerzeugung
erreicht werden, die sich prinzipiell auch für eine statische homogene Oberflächenbearbeitung
eignet. Hierbei können Kombinationen
von Einzelanordnungen aufgebaut werden, die von der linearen oder
rechteckigen Anordnung abweichen. Sind z.B. mehrere Einzelanordnungen
radial entlang von Kreisbögen
angeordnet, so können
auch kreisförmige
Substrate homogen bearbeitet werden.
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Bei
einer Mehrfachanordnung werden die einzelnen Erregerspulen der Einzelanordnungen
entweder separat mit HF-Leistungsversorgungen betrieben oder über HF-Leistungsteiler
aus gemeinsamen HF-Leistungssystemen versorgt. Die einzelnen Erregerspulen
können
dabei mit gleichen HF-Leistungen oder mit unterschiedlichen HF-Leistungen
gespeist werden. Dabei können
die HF-Leistungen zueinander phasensynchron oder phasenversetzt
sein.