DE19713637A1 - Teilchenmanipulierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulierung von mikroskopischen Teilchen, insbesondere zur Manipulierung von Teilchen in einem plasmakristallinen Zustand.

Es ist bekannt, daß sich mikroskopische feste Teilchen in einem Plasma in einer makroskopisch regelmäßigen Anordnung als sogenannter Plasmakristall ausrichten. Die Eigenschaften von Plasmakristallen werden beispielsweise von H. Thomas et al. in Phys. Rev. Lett. (Band 73, 1994, Seite 652, ff.) oder von H. Thomas & G. E. Morfill in Nature (Band 379, 1996, Seite 806, ff.) beschrieben. Wichtige Gesichtspunkte der Plasmakristallbildung werden im folgenden unter Bezug auf eine herkömmliche Anordnung zur Ausbildung eines Plasmakristalls gemäß Fig. 10 erläutert.

Ein Gas umfaßt im Plasmazustand, der beispielsweise durch eine Glimm- oder Gasentladung erzeugt wird, verschiedenartig geladene Teilchen, wie positiv oder negativ geladene Ionen, Elektronen und Radikale, aber auch neutrale Atome. Befinden sich in dem Plasma mikroskopische Teilchen (Größenordnung µm), zum Beispiel Staubteilchen, so werden diese elektrisch auf­ geladen. Die Ladung kann in Abhängigkeit von der Teilchengröße und den Plasmabedingungen (Gasart, Plasmadichte, Temperatur, Druck etc.) einige Hunderttausend Elektronenladungen erreichen. Bei geeigneten Teilchen- und Plasmabedingungen bilden sich zwischen den geladenen Teilchen Coulomb-Kräfte aus, unter deren Wirkung die Teilchen den plasmakristallinen Zustand als zwei- oder dreidimensionale Anordnung einnehmen. Dabei spielt neben den Coulomb-Kräften auch ein Energieentzug von den Teilchen durch Zusammenstöße mit neutralen Atomen im Plasma eine Rolle.

Eine Anordnung zur Ausbildung von Plasmakristallen ist beispielhaft in Fig. 10 gezeigt (siehe auch die oben ange­ gebene Veröffentlichung in Phys. Rev. Lett.). In einem Reaktor (Gefäßwände nicht dargestellt) mit einem Trägergas sind zwei ebene Entladungselektroden übereinander angeordnet. Die untere kreis- oder scheibenförmige HF-Elektrode 11 wird mit einer Wechselspannung angesteuert, die obere, ringförmige Gegen­ elektrode 12 ist geerdet. Der Elektrodenabstand beträgt rd. 2 cm. Eine Steuerschaltung 13 ist dazu eingerichtet, den HF-Generator 14 mit der HF-Elektrode 11 zu verbinden und die Erdungs- und Trennschaltung 15 der Gegenelektrode 12 anzu­ steuern. Die Hochfrequenzenergie kann beispielsweise mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von rd. 5 W ein­ gekoppelt werden. Das Trägergas sind Edelgase oder reaktive Gase von ca. 0.01-2 mbar. Über einen (nicht dargestellten) Staubdispensor werden Staubteilchen in den Reaktor geliefert. Die Staubteilchen ordnen sich als Plasmakristall in einem Gleichgewichtszustand an, in dem die auf die Teilchen wirkende Gravitationskraft G mit der elektrischen Feldkraft E aus­ geglichen ist, die durch ein Gleichspannungsfeld in der Nähe der HF-Elektrode 11 auf die Staubteilchen in Abhängigkeit von deren Ladung ausgeübt wird. Handelt es sich um eine mono­ disperse Staubgrößenverteilung, so erfolgt die Plasmakristall­ anordnung entweder als Monoschicht in einer Ebene, oder als mehrschichtiger Zustand bei Ausbildung 3-dimensionaler Plasma­ kristalle. Der Plasmakristall ist mit dem bloßen Auge erkenn­ bar. Die Sichtbarmachung des Plasmakristalls durch einen seitlich angeordneten Helium-Neon-Laser 16 verbessert, dessen Strahl mit einer Zylinderlinsenkombination 160 auf die Größe der lateralen Kristallausdehnung aufgefächert und auf eine Fokusebene der Dicke von rd. 150 µm fokussiert wird. Die Beobachtung des Plasmakristalls erfolgt mit einer CCD-Kamera 17, die mit einer vergrößernden Makrooptik 18 versehen und durch eine Bildverarbeitung 19 angesteuert wird, die auch mit dem Laser 16 in Verbindung steht.

Das Verhalten von mikroskopischen Teilchen in Plasmen ist von hohem theoretischem und praktischem Interesse. Das theoretische Interesse bezieht sich insbesondere auf die Plasmakristalle und deren Zustandsänderungen. Das praktische Interesse leitet sich daraus ab, daß Plasmareaktoren, die bei Beschichtungs- oder Bearbeitungsverfahren (insbesondere in der Halbleiter­ technik) eingesetzt werden, einen Elektrodenaufbau gemäß Fig. 10 besitzen.

Bei bisherigen Anordnungen zur Untersuchung von Plasma­ kristallen waren die Mittel zur Beeinflussung der Plasma­ kristalle auf die Art der verwendeten Teilchen und die realisierten Plasmabedingungen beschränkt. Ein Mittel zur gezielten und ortsselektiven Handhabung von Plasmakristallen ist bisher nicht verfügbar, so daß bisher auch keine praktische Verwendung für Plasmakristalle bekannt war.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Manipulierung von Teilchen in Plasmen, insbesondere zur Beeinflussung der Teilchen selbst oder zur Modifizierung einer Substratoberfläche, und eine Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, 2 oder 12 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Aus­ führungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Die Erfindung beruht auf den folgenden grundlegenden Erkennt­ nissen. Die Eigenschaften eines Plasmakristalls, insbesondere die geometrische Form, hängt nicht nur von Eigenschaften des Plasmas bzw. der Teilchen ab. Vielmehr ist es möglich, die Gestalt eines Plasmakristalls, insbesondere die Form der äußeren Umrandung oder die Querschnittsform durch eine orts­ selektive Beeinflussung des obengenannten Gleichgewichts zwischen Gravitationskräften und elektrischen Kräften zu modifizieren. Hierzu werden die äußeren Kräfte, die auf die Teilchen einwirken, zum Beispiel durch eine ortsabhängige Veränderung des statischen elektrischen Feldes zwischen den Elektroden eines Plasmareaktors, durch eine ortsselektive Teilchenentladung oder durch eine ortsselektive Teilchenbe­ strahlung variiert. Auf diese Weise lassen sich Teilchen im Plasma auf beliebigen gekrümmten Flächen mit beliebigen Um­ randungen in einem plasmakristallinen Zustand anordnen. Die Teilchen im Plasma lassen sich somit in vorbestimmter Weise bewegen, wobei diese Bewegung reversibel ist, so daß der plasmakristalline Zustand sogar zwischen verschiedenen Gestalten umstellbar ist.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß durch die ortsselektive Deformierung eines Plasma­ kristalls verschiedene Teilbereiche des Plasmakristalls verschiedenen Plasmabedingungen ausgesetzt sind. Damit wird insbesondere in einem Plasma zwischen zwei im wesentlichen ebenen Elektroden eine ortsselektive Plasmabehandlung von Teilen des Plasmakristalls (z. B. Beschichtung oder Abtragung) möglich. Einer derartigen ortsselektiven Teilchenbehandlung kann sich eine Auftragung auf einem Substrat anschließen.

Ferner besteht ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung darin, daß die Ausbildung eines plasmakristallinen Zustands durch die Anwesenheit eines Substrats in einem Plasmareaktor, insbesondere zwischen Reaktorelektroden zur Ausbildung einer Glimm- oder Gasentladung, unbeeinflußt ist. Es ist insbeson­ dere möglich, die oben genannten Umstellvorgänge in unmittel­ barer Nähe eines flächigen, ebenen oder gekrümmten Substrats durchzuführen und anschließend den Abstand zwischen den Teilchen im plasmakristallinen Zustand und der Substratober­ fläche derart zu verringern, daß mindestens ein vorbestimmter Teil der Teilchen auf die Substratoberfläche aufgetragen werden. Die Abstandsverringerung kann entweder durch Beein­ flussung der Feldkräfte, die die Teilchen in Position halten, oder durch Bewegung der Substratoberfläche erfolgen. Somit können Partikel im plasmakristallinen Zustand in beliebig gestalteten Mustern auf Substratoberflächen abgeschieden werden. Damit stellt die Erfindung ein neuartiges ortsselek­ tives, maskenfreies Beschichtungsverfahren bereit, mit dem modifizierte Oberflächen erzeugt werden. Aufgrund der auf­ getragenen Teilchen besitzen die modifizierten Oberflächen veränderte elektronische, optische und/oder mechanische Eigen­ schaften. Es ist aber auch möglich, die ortsselektiv aufge­ tragenen Teilchen selbst zur Maskierung oder Konditionierung der Substratoberfläche vor einem nachfolgenden weiteren Beschichtungsschritt zu verwenden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Manipulierung von Teilchen im plasmakristallinen Zustand umfaßt ein Reaktions­ gefäß, das Mittel zur Ausbildung eines Plasmas und mindestens ein Substrat enthält. Die Mittel zur Ausbildung des Plasmas werden vorzugsweise durch flächige, im wesentlichen parallele Elektroden gebildet, in deren Zwischenraum das Substrat beweglich ist. Die Elektroden im Reaktionsgefäß können feld­ formende Strukturen zur ortsselektiven Beeinflussung der Teilchen im plasmakristallinen Zustand aufweisen. Im Reaktionsgefäß können ferner Mittel zur ortsselektiven Teilchenentladung (z. B. UV-Belichtungsmittel mit einer Maskierungseinrichtung), Mittel zur Ausübung eines Strahlungs­ druckes auf die Teilchen, Beobachtungsmittel und Steuermittel enthalten sein.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungs­ gemäßen Anordnung zur Manipulierung von Teilchen in einem plasmakristallinen Zustand;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Teil der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Plasma­ kristalls im freien bzw. adsorbierten Zustand zur Illustration der erfindungsgemäßen Beschichtungs­ technik;

Fig. 4 eine schematische Illustration einer erfindungsgemäßen Elektrodengestaltung zur Manipulierung von Plasma­ kristallen, und Beispiele einer ortsselektiven Substratbeschichtung;

Fig. 5 eine schematische Illustration eines weiteren Beispiels einer ortsselektiven Substratbeschichtung;

Fig. 6 eine Darstellung zur Illustration eines weiteren Beispiels einer ortsselektiven Substratbeschichtung;

Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf eine modifizierte Anordnung zur Manipulierung von Plasmakristallen und ein weiteres Beispiel einer ortsselektiven Substrat­ beschichtung;

Fig. 8 eine schematische Illustration einer Substratbe­ schichtung mit sogenannten Bucky Tubes;

Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Manipulierung von Plasmakristallen; und

Fig. 10 eine schematische Perspektivansicht eines herkömmlichen Reaktors zur Bildung von Plasma­ kristallen (Stand der Technik).

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Plasmaan­ ordnung beschrieben, die als Reaktionsgefäß einen Reaktor umfaßt, dessen Aufbau in Bezug auf die Plasmaerzeugung und die Plasmakristallbeobachtung im wesentlichen dem herkömm­ lichen Aufbau entspricht, wie er oben unter Bezug auf Fig. 10 beschrieben wurde. Es ist dem Fachmann jedoch verständlich, daß auch anders aufgebaute Reaktoren verwendet werden können, soweit sie zur erfindungsgemäßen Manipulierung von Teilchen im plasmakristallinen Zustand eingerichtet sind.

Die schematische Seitenansicht einer Anordnung zur Mani­ pulierung von Plasmakristallen gemäß Fig. 1 zeigt eine HF-Elektrode 11, eine geerdete Gegenelektrode 12, eine Steuer­ einrichtung 13, einen HF-Generator 14, eine Schalteinrichtung 15, eine Beobachtungslichtquelle 16 mit einer Zylinderlinsen­ anordnung 16a, ein Beobachtungsmittel in Form einer CCD-Kamera 17 mit einer Vergrößerungsoptik 18 und einer zugehörigen Steuereinrichtung 19. Bei sehr kleinen (< 100 nm) Teilchen wird ein anderes Beobachtungsmittel erforderlich (z. B. unter Verwendung der Braggstreuung). Ein Staubdispensor 21 mit einem Reservoir 22, einer Konditionierungseinrichtung 23 und einem Einlaßmittel 24 ist dazu eingerichtet, Teilchen in den Raum zwischen der HF-Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 einzu­ bringen. Die Konditionierungseinrichtung 23 kann beispiels­ weise eine Vorladungseinrichtung für die Teilchen enthalten.

Die erfindungsgemäße Anordnung umfaßt ferner ein Substrat 30, das mit einer Verstelleinrichtung 30 in alle Raumrichtungen beweglich ist. Fig. 1 zeigt nicht die Wandung des Reaktions­ gefässes, die einen geschlossenen Raum für das Trägergas bildet und vakuumdicht die Elektroden 12, das Substrat 30 und Teile der Teilchenzuführeinrichtung einschließt. Die Wandung kann ferner Fenster zur Strahlungsein- bzw. -auskopplung aufweisen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf Teile der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1, nämlich die HF-Elektrode 11 und das Substrat 30 mit der Verstelleinrich­ tung 31. Zusätzlich ist eine in Fig. 1 nicht gezeigte Entlade­ einrichtung 24 dargestellt, die zur ortsselektiven Entladung von Teilchen im plasmakristallinen Zustand eingerichtet ist. Beim dargestellten Beispiel umfaßt die Entladeeinrichtung 24 eine UV-Lichtquelle 25 und ein Abbildungs- und Maskierungs­ system 26, mit dem Teile des Plasmakristalls bestrahlt und unter Wirkung der UV-Strahlung entladen werden können.

Im folgenden wird eine erste Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Verfahrensweise zur Manipulierung der Teilchen im Plasma unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 erläutert.

Im (nicht dargestellten) Reaktionsgefäß, insbesondere zwischen den HF- und Gegenelektroden, die als Entladungselektroden wirken, wird in einem Trägergas ein Plasma gezündet. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß an die Art des Trägergases keine besonderen Anforderungen zu stellen sind. Die Plasmabedingungen (Art und Dichte des Gases, HF-Leistung, Frequenz, Druck etc.) können vom Fachmann ent­ sprechend den Bedingungen der Plasmaanordnung und den gewünschten Kristalleigenschaften ausgewählt werden. Das können beispielsweise auch Niederenergie-Argonentladungen oder Silanentladungen unter den Bedingungen, wie sie bei der Plasmaabscheidung in der Halbleitertechnologie benutzt werden. Der Einsatz eines reaktiven Gases wie z. B. Silan ist für weitere Behandlungsschritte am Plasmakristall von Vorteil. Die Energie der Ionen im Plasma entspricht im wesentlichen der Gastemperatur. Diese wird durch die Entladungsbedingungen und gegebenenfalls durch eine äußere Kühleinrichtung bestimmt. So kann beispielsweise in einer erfindungsgemäßen Anordnung eine (nicht dargestellte) Stickstoffkühlung vorgesehen sein.

Über den Staubdispensor 21 werden die zu manipulierenden Teilchen in den Elektrodenraum eingebracht. Die Teilchengröße liegt im Bereich von 20 nm bis 100 µm. Die Untergrenze der Teilchengröße wird durch die Druckbedingungen im Reaktions­ gefäß und über die Aufladung festgelegt. Die Teilchen müssen so schwer sein, daß im plasmafreien Zustand die Teilchen unter Wirkung der Schwerkraft eine vertikale Bewegung ausführen und nicht im Schwebezustand verbleiben. Die Obergrenze der Teil­ chengrößen wird durch die sogenannte Debye-Länge bei der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den benachbarten Teilchen festgelegt. Die Debye-Länge steigt proportional zur Wurzel der Plasmatemperatur bzw. umgekehrt proportional zur Wurzel der Plasmadichte. Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß neben den Größenanforderungen die zu mani­ pulierenden Teilchen keine weiteren Einschränkungen in Bezug auf die Form oder das Material der Teilchen bestehen. Es sind beliebige, z. B. runde, nadelförmige, rohrförmige oder plätt­ chenförmige Teilchen verwendbar. Die Teilchen müssen fest sein bzw. eine genügende Formstabilität unter den Plasmabedingungen besitzen. Es wird vorzugsweise ein Material verwendet, das im interessierenden Teilchengrößenbereich besondere elektrische oder optische Eigenschaften besitzt. Es kann auch ein Material verwendet werden, das eine Zusammensetzung aus verschiedenen Substanzen, z. B. organischen Stoffen, ist.

Die in das Plasma eingebrachten Teilchen bilden ein Plasma­ kristall 10 bzw. 20 (s. Fig. 1, 2). Der Plasmakristall ist durch eine ebene, flächige, regelmäßige Teilchenanordnung gekennzeichnet. Die Teilchenanordnung kann eine Monoschicht, wie sie unten unter Bezug auf Fig. 3 erläutert wird, eine Mehrfachschicht oder ein dreidimensionales Gebilde sein.

Die HF-Elektrode weist eine negative Gleichspannung auf. Bei einem Durchmesser der Elektroden von rd. 8 bis 10 cm, einem Elektrodenabstand von rd. 2 cm und einer Vorspannung an der HF-Elektrode 11 von rd. -15 Volt ordnen sich beispielsweise Polymerteilchen einer charakteristischen Größe von rd. 7 µm als flächige Wolke mit einem Abstand von rd. 0,5 cm von der HF-Elektrode 11 an.

Das Substrat 30 ist zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Plasmakristall 10 bzw. 20 angeordnet. Auch in Bezug auf das Substratmaterial und die Substratform bestehen vorteilhafter­ weise keine Beschränkungen. Es kann insbesondere sowohl ein leitfähiges als auch ein nicht-leitfähiges Substrat verwendet werden, ohne daß die Bedingungen für die Plasmakristallbildung sich verändern.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Manipulierung von Teilchen erfolgt zunächst eine Einstellung der Teilchen in einer Behandlungsposition. Diese Behandlungsposition kann dem Gleichgewichtszustand bei Bildung des Plasmakristalls nach Einführung der Teilchen in den Reaktor entsprechen. Es ist aber auch möglich, den Plasmakristall 10 bzw. 20 zu bewegen, insbesondere die Relativposition in Bezug auf die Elektroden oder das Substrat zu ändern. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Änderung der Plasmabedingungen. So kann durch eine Änderung der Trägergasdichte eine Änderung der Teilchenladung und somit eine Änderung des Gleichgewichtszustands zwischen Gravitationskraft und elektrischer Kraft erzielt werden. Entsprechendes gilt bei Änderung der negativen Vorspannung der HF-Elektrode oder bei einer äußeren Entladung der Teilchen. In der Behandlungsposition wird in einem nächsten Schritt mindestens ein Teil der Teilchen einer Plasmabehandlung oder einer Auftragung auf das Substrat unterzogen.

Die Plasmabehandlung kann beispielsweise eine Teilchenober­ flächen-Beschichtung oder -Abtragung umfassen. Im letzteren Fall kann beispielsweise ein schrittweises Absenken des Plasma­ kristalls zu einer geringeren Höhe über der HF-Elektrode dazu führen, daß die untersten Schichten des Plasmakristalls einem selektiven Plasmaätzprozeß unterzogen werden. Zur Teilchen­ beschichtung kann ggf. ein Plasmawechsel bei laufendem Reaktorbetrieb vorgesehen sein.

Zur Auftragung auf dem Substrat 30 kann jede geeignete Änderung des Abstands zwischen dem Plasmakristall und der Substratoberfläche verwendet werden. Gemäß einer ersten Alternative wird der Plasmakristall durch Änderung der Plasma­ bedingungen auf das Substrat gesenkt. Gemäß einer zweiten Alternative wird Substrat mit der Verstelleinrichtung 31 zum Plasmakristall angehoben. Gemäß einer dritten, bevorzugten Alternative wird die Entladung zwischen den Elektroden ab­ geschaltet, so daß das Plasma erlischt und die Teilchen auf das Substrat fallen. Beim Kontakt zwischen den Teilchen und dem Substrat führen molekulare Anziehungskräfte zur Adsorption der Teilchen an der Substratoberfläche. Im weiteren Verfahren kann die Teilchenadsorption durch eine Überschichtung noch verstärkt werden.

Fig. 3 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer besonders ein­ fachen Teilchenaufbringung auf die Substratoberfläche ent­ sprechend der oben genannten dritten Alternative. Es ist eine plasmakristalline Monoschicht, wie sie mit der Bildaufnahme­ vorrichtung 17 beobachtet werden kann, in einem freihängenden Zustand im Plasma (Gebilde mit ungefüllter Umrandung) und im adsorbierten Zustand (Gebilde mit gefüllter Umrandung) auf einem Substrat nach Erlöschen des Plasmas gezeigt. Die Erfinder haben erstmalig festgestellt, daß bei dieser besonders einfachen Aufbringung der Teilchen auf das Substrat die regelmäßige Anordnung nahezu vollständig erhalten bleibt, wie dies die minimalen Abweichungen zwischen der Teilchen­ position im schwebenden bzw. adsorbierten Zustand zeigen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, mikroskopische Teilchen mit hoher Genauigkeit auf einer Substratoberfläche zu plazieren.

Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Teilchenmanipulierung. Zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Substrat 30 mit der Verstelleinrichtung 31 einerseits und der geerdeten Gegen­ elektrode 12 sind Teilchen im plasmakristallinen Zustand angeordnet. Der Plasmakristall 40 ist mit einer mehrfach gewölbten Querschnittsform ausgebildet, die im wesentlichen dem Verlauf des statischen elektrischen Feldes im Raum zwischen den Elektroden entspricht. Das Feld zwischen den Elektroden wird durch eine Elektrodenstrukturierung 41 orts­ selektiv verformt. Beim dargestellten Beispiel wird die Elektrodenstrukturierung durch Zusatzelektroden 41 (Nadel- Elektroden) gebildet, die mit einer positiven Spannung beauf­ schlagt und isoliert durch die Gegenelektrode 12 durchgeführt sind. Der Plasmakristall folgt der ortsselektiven Deformierung des elektrischen Feldes, so daß die mehrfach gewölbte Kristallgestalt gebildet wird. Die Zusatzelektroden 41 können reihenweise oder flächig angeordnet sein. Statt einem positiven Potential können die Zusatzelektroden 41 auch mit einem negativen Potential beaufschlagt sein.

Im unteren Teil von Fig. 4 sind zwei Beispiele einer orts­ selektiven Substratbeschichtung mit einem erfindungsgemäß manipulierten Plasmakristall schematisch gezeigt. Erfolgt eine Formation des Plasmakristalls derart, daß die Kristallquer­ schnittsform nach oben weisende Auswölbungen zeigt, so führt eine Annäherung des Plasmakristalls an das Substrat 30 gemäß der oben genannten ersten oder zweiten Alternative zu einem Beschichtungsmuster entsprechend dem unteren, linken Teil von Fig. 4. Wird umgekehrt eine nach unten weisende Auswölbung (durch negative Potentiale der Zusatzelektroden 41) eingestellt, so führt die gegenseitige Annäherung zu einer inselförmigen Beschichtung gemäß dem unteren, rechten Teil von Fig. 4.

Durch eine geeignete Formung der Elektrodenstrukturierung oder der Zusatzelektroden lassen sich beliebige Beschichtungsmuster z. B. in Form von Kreisen, Ringen, Bögen, Streifen oder dgl. auf der Substratoberfläche ausbilden. Zusätzliche Modifi­ zierungen sind möglich, wenn die Zusatzelektroden gemäß Fig. 4 beweglich angeordnet sind, so daß die Manipulierung des Plasmakristalls 40 im Zeitverlauf variiert werden kann. Dementsprechend lassen sich verschiedene Beschichtungsmuster aufeinanderfolgend auf dem Substrat 30 auftragen.

Fig. 5 zeigt eine schematische Seitenansicht von Teilen einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Plasmakristall 50 zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Substrat 30 mit der Verstelleinrichtung 31 einerseits und der Gegenelektrode 12 andererseits stufenförmig ausgebildet ist. Diese Plasma­ kristallform läßt sich beispielsweise durch Einsatz einer Entladevorrichtung gemäß Fig. 2 erzielen. Durch eine teilweise Bestrahlung der Plasmakristalls mit UV-Licht wird ein Teil der Teilchen (in Fig. 5 der linke Bereich) entladen, so daß das Gleichgewicht bei unveränderten Plasmabedingungen in einer geringen Höhe über der HF-Elektrode 11 eingestellt wird. Durch eine entsprechende Änderung der relativen Lage des Plasma­ kristalls 50 und/oder des Substrats 30 läßt sich eine teilweise Beschichtung des Substrats 30 erzielen, wie es im unteren Teil von Fig. 4 illustriert ist.

Durch eine Strukturierung der HF-Elektrode 11 mit Struktur­ elementen 61 gemäß Fig. 6 kann das elektrische Feld zwischen der HF-Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 derart beein­ flußt werden, daß sich der Plasmakristall nur in einem Bereich mit einem Potentialminimum ausbildet, der sich über den Teilen der HF-Elektrode 11 befindet, die nicht von den Struktur­ elementen 61 bedeckt sind. Werden die Strukturelemente 61 beispielsweise durch Abdeckbalken gebildet, die einen streifenförmigen Zwischenraum lassen, so besitzt der Plasma­ kristall 60 eine Streifenform (Erstreckungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 6). Der Plasmakristall 60 läßt sich wiederum erfindungsgemäß auf dem Substrat 30 ablagern.

Alternativ zu der Streifengestaltung gemäß Fig. 6 läßt sich die HF-Elektrode 11 mit beliebigen Strukturelementen 61 strukturieren oder maskieren.

Fig. 7 zeigt eine zusätzliche Möglichkeit der Ausübung äußerer Kräfte auf ein Plasmakristall. Die schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung zeigt die HF-Elektrode 11 mit der Steuereinrichtung 13 und das Substrat 30 mit der Verstelleinrichtung 31. Die HF-Elektrode 11 trägt Struktur­ elemente (nicht dargestellt) gemäß Fig. 6, so daß sich ein streifenförmiger Plasmakristall ausbildet. Die Gestalt des Plasmakristalls 70 läßt sich weiter verändern, indem Ablenk­ elektroden 71 synchron mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden. Die Ablenkelektroden 71 sind zu einer lateralen Aus­ lenkung eines schichtförmigen Plasmakristalls in der Schicht­ ebene eingerichtet. So läßt sich beispielsweise eine schlangenförmige Schwingung der Teilchen erzielen, wie sie im unteren Teil von Fig. 7 skizziert ist. Diese Kristallanordnung kann wiederum auf dem Substrat 30 abgetragen werden.

In Fig. 8 ist eine Oberflächenbeschichtung mit langgestreckten Partikeln gezeigt, die insbesondere zur Erzielung anisotroper optischer Oberflächeneigenschaften eingerichtet ist. Die langgestreckten Teilchen sind beispielsweise sogenannte Bucky- Tubes (mikroskopische, rohrförmige Teilchen bestehend aus einer regelmäßigen Anordnung von Kohlenstoffatomen). Die Bucky-Tubes können beispielsweise eine Länge von einigen Mikrometern und einen Durchmessern von rund 10 bis 20 nm besitzen. Diese Teilchen besitzen eine verhältnismäßig große Oberfläche, die zu einer starken Aufladung im Plasma und zu einer Polarisation führt. Im Plasmakristall 80 sind die Bucky- Tubes regelmäßig mit ihrer Längsausdehnung senkrecht zu den Ebenen der Entladungselektroden ausgerichtet. Durch eine entsprechende Annäherung an das Substrat 30 erfolgt die Adsorption der langgestreckten Teilchen mit einer vertikalen Vorzugsrichtung, wie es im unteren Teil von Fig. 8 illustriert ist. Diese Adsorbate können gegebenenfalls in einem Zusatz­ schritt in ihrer Lage durch eine Zusatzbeschichtung fixiert werden.

Gemäß Fig. 9, die eine Draufsicht auf Teile einer erfindungs­ gemäßen Anordnung zeigt, ist eine Manipulierung des Plasma­ kristalls 90 auch durch Ausübung eines Strahlungsdrucks von einer äußeren Lichtquelle möglich. Die äußere Steuerlicht­ quelle kann beispielsweise durch einen Helium-Neon-Laser mit einer Leistung von rund 10 mW gebildet werden. Der mit dem Laserstrahl auf die Partikel ausgeübte Strahlungsdruck erlaubt eine präzise Positionskontrolle, die mit einer Beobachtungs­ einrichtung 17 (s. Fig. 1) überwacht werden kann. Mit Hilfe des Strahlungsdrucks läßt sich ein Plasmakristall vorzugsweise drehen (siehe Pfeil), oder auch auf ein seitlich angeordnetes Substrat bewegen.

Neben den illustrierten Ausführungsformen der Erfindung sind weitere Modifzierungen der erfindungsgemäßen Anordnung durch Einrichtung von Mitteln denkbar, mit denen durch Ausübung äußerer Kräfte die Bedingungen eines Plasmakristalls orts­ selektiv verändert werden können. Beispielsweise ist es möglich, zusätzlich eine Magnetfeldeinrichtung zur gezielten Steuerung des Plasmas beispielsweise durch eine senkrecht zu den Elektrodenebenen ausgerichtete Magnetfeldrichtung zu erzielen. Es ist ferner möglich, das Beschichtungsverfahren dynamisch durchzuführen, wobei kontinuierlich Teilchen dem Plasmaraum zugeführt und nach Anordnung als Plasmakristall ortsselektiv auf die Substratoberfläche aufgetragen werden. Weitere Modifizierungen beziehen sich auf das Substrat. Das Substrat muß nicht eben sein, sondern kann eine gekrümmte Oberflächen aufweisen. Es können mehrere Substrate vorhanden sein.

Es ist auch möglich, eine erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Auftragung auf einem Substrat als Anzeigevorrichtung zu betreiben, bei der anisotrope Teilchen zur Anzeige vorbestimmter Muster zwischen verschiedenen Ausrichtungen umstellbar sind, die beispielsweise jeweils einen Zustand "Schwärzung" oder "Transparenz" repräsentieren. Es ist auch möglich, verschieden große Teilchen in verschiedenen Höhen eines Plasmas zu manipulieren und seitlich mit Anregungs­ lichtquellen verschiedener Wellenlängen zu beleuchten, so daß farbige Anzeigen hoher Auflösung aufgebaut werden können.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie durch eine unaufwendige Modifizierung herkömmlicher Plasma­ reaktoren (z. B. aus der Schaltkreis-Herstellung) realisiert werden kann, dessen Betriebsbedingungen gut bekannt und steuerbar sind. Die Erfindung ist zur Herstellung von sogenannten Designermaterialien mit besonderen Oberflächen­ eigenschaften verwendbar.

Claims (17)

1. Verfahren zur Manipulierung von Teilchen, die in einem plasmakristallinen Zustand in einem Plasma eines Trägergases angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mindestens teilweise auf einer Substratoberfläche aufgetragen werden.

2. Verfahren zur Manipulierung von Teilchen, die in einem plasmakristallinen Zustand in einem Plasma eines Trägergases angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mindestens teilweise einer Plasmabehandlung unterzogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Teilchen mindestens teilweise durch eine Einwirkung äußerer Verstellkräfte und/oder eine Änderung der Plasmabedingungen zur Plasmabe­ handlung in eine Behandlungsposition bewegt werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem nach der Plasma­ behandlung die Teilchen mindestens teilweise auf einer Substratoberfläche aufgetragen werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4, bei dem ein Abstand der Teilchen von der Substratoberfläche durch eine Bewegung der Substratoberfläche, eine Einwirkung äußerer Verstellkräfte und/oder eine Änderung der Plasmabedingungen geändert wird, bis die Teilchen mindestens teilweise auf der Substratober­ fläche anhaften.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2-5, bei dem die äußeren Verstellkräfte durch eine ortsselektive Teilchenent­ ladung oder einen Licht-Strahlungsdruck bewirkt werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Teilchenentladung durch eine ortsselektive UV-Bestrahlung der Teilchen im plasmakristallinen Zustand erfolgt.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3-5, bei dem die Änderung der Plasmabedingungen eine Änderung dem Plasmadrucks, der Plasmatemperatur, des Trägergases, der Plasmaenergie und/oder der Betriebsfrequenz des Plasmas, ein Abschalten der Plasmaerzeugung und/oder eine Feldbeeinflussung von elektrischen Feldern im Bereich der Teilchen im plasma­ kristallinen Zustand umfaßt.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Feldbeeinflussung die Einstellung eines statischen elektrischen Feldes derart umfaßt, daß sich die Teilchen im plasmakristallinen Zustand entlang einer vorbestimmten gekrümmten Fläche oder in einem in vorbestimmter Weise abgegrenzten Bereich anordnen.

10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen eine längliche, stabförmige Gestalt besitzen und so auf der Substratoberfläche aufgetragen werden, daß sich die stabförmige Gestalt im wesentlichen senkrecht von der Substratoberfläche erstreckt.

11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen im plasmakristallinen Zustand mit einer geometrischen Form angeordnet sind, die von der Form eines Plasmakristalls mit ebenen Begrenzungsflächen abweicht.

12. Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche mit Teilchen, die entsprechend einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-11 manipuliert werden.

13. Vorrichtung zur Manipulierung von Teilchen, die sich in einem plasmakristallinen Zustand im Plasma eines Trägergases in einem Reaktionsgefäß mit Mitteln zur Plasmaausbildung befinden, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgefäß mindestens ein Substrat angeordnet ist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei dem die Mittel zur Plasmaausbildung flächige, im wesentlichen parallele Plasma­ elektroden sind, die zur Ausbildung einer Gas- oder Glimm­ entladung im Trägergas eingerichtet sind und zwischen denen das Substrat beweglich angeordnet ist.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, bei der im Reaktionsgefäß feldformende Strukturen zur ortsselektiven Manipulierung der Teilchen im plasmakristallinen Zustand angeordnet sind.

16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13-15, die ferner Mittel zur ortsselektiven Teilchenentladung, Mittel zur Ausübung eines Strahlungsdruckes, Beobachtungsmittel und/oder Steuermittel aufweist.

17. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-12 zur Herstellung von Materialien mit nicht-linearen elektrischen oder optischen Eigenschaften.