DE19928053C5

DE19928053C5 - Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas durch eine magnetfeldgestützte Kathodenentladung

Info

Publication number: DE19928053C5
Application number: DE1999128053
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. Schlemm; Horst Dipl.-Phys. Neumann
Original assignee: Hermann Dr. Schlemm
Current assignee: Sputtering Components Inc
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: DE19928053A1; DE19928053C2

Abstract

Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas in einer Entladungskammer durch eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung bei einem Gasdruck, der kleiner als 0.1 mbar ist, wobei die Entladungskammer folgende Kombination umfasst:
elektrisch miteinander verbundene, aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität bestehende Kathoden. Permanentmagnete, die mit den Kathoden in der Entladungskammer Magnetfelder erzeugen,
mindestens zwei voneinander und von den Kathoden elektrisch isolierte, aus einem Stoff niedriger magnetischer Permeabilität bestehende NF-Elektroden, wobei zwischen den einzelnen NF-Elektroden und Kathoden zur Entladungserzeugung impulsförmige Spannungen angelegt sind, deren Frequenz kleiner als 100 kHz ist und deren Impulsform und Phasenlage so gestaltet sind, daß mindestens immer eine der NF-Elektroden sich auf Kathodenpotential und mindestens eine weitere NF-Elektrode sich auf dem die Entladung erzeugenden positiven Potential bezüglich der Kathoden befindet, wobei
die Kathoden aus drei koaxial angeordneten Ringen bestehen, die zumindest annähernd gleiche Durchmesser und axiale Abstände voneinander haben, in denen sich die ebenfalls koaxial angeordneten und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas mittels einer niederfrequenten Kaltkathodenentladung gemäß der Gattung der Patentansprüche und ist insbesondere in ionen- und plasmagestützten Dünnschichtverfahren sowie bei der Gasdruckmessung im Vakuum verwendbar.
Bekannt ist die Erzeugung einer magnetfeldgestützten Plasmas ohne eine Elektronen emittierende heiße Kathode, mittels einer sogenannten Kaltkathode, siehe F. M. Penning, "Glow discharge at low pressure between coaxial cylinders in an axial magnetic field", Ztschr. Physica 3 (1936), S. 873-894. Die Entladung wurde nach F. M. Penning, "A New Manometer for Low Gas Pressures between 10^–3 bis 10^–5 Torr", Ztschr. Physica 4 (1937), S. 71-75 mit Gleichspannung betrieben und zum Messen des Gasdrucks verwendet, indem die Abhängigkeit des Entladungsstroms vom Gasdruck ausgewertet wurde. Die grundlegende Anordnung besteht aus zwei Kathoden, die ein überwiegend axiales Magnetfeld zusammen mit einem Permanentmagneten erzeugen, und einer dazwischen angeordneten Anode. Unter Beibehaltung dieses Prinzips wurde eine erste Anordnung zur Extraktion von Ionen bekannt (R. G. Meyerand, S. C. Brown, "High Current Ion Source", Ztschr. Rev. Sci. Instruments 30 (1959), S. 110 111). Parallel dazu wurden Penning-Kaltkathodenionenquellen entwickelt und beschrieben, z. B. von M. v. Ardenne in "Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Übermikroskopie", Band I, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin (1956) S. 536 ff.
Außerdem sind Penning- Ionen- und Prasmaquellen in unterschiedlichsten Formen zu Zwecken der Plasmaphysik, Materialbearbeitung oder z. B. Kernfusion (J. R. Roth, "Hot Ion Production in a Modified Penning Discharge", Ztschr. IEEE Trans. on Plasma Sci. 1 (1973), S. 34-45) sowie Breitionenstrahlquellen (N. V. Gavrilov, G. A. Mesyats, S. P. Nikulin, G. V.
Radkovski, "New broad beam gas ion source for industrial application", Ztschr. J. Vac. Sci. Technolog. A 14 (3) (1996), S. 1050-1055) bekannt. Letztere sind mit Extraktionsgittersystemen ausgerüstet, die aus zwei Gittern zur Erzeugung von Breitionenstrahlen bis 100 mm Durchmesser auf der Basis einer Penning-Entladung bestehen.
Mehrfachanordnungen von Penning-Zellen sind in einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mittels kalter Kathode gemäß der DD 2 49 588 A1 enthalten. Eine Folge von vier mit Kathoden und Anoden ausgerüsteten Kaltkathodenentladungen wird mit Gleichspannung betrieben und dient letztlich der Erhöhung der Plasmaerzeugung und Verringerung der Kathodenzerstäubung.
Ein mit Wechselstrom arbeitender Plasmagenerator ist in der US 4 739 170 A offenbart. Die darin dargestellten magnetfeldgestützten Entladungsformen benutzen heiße Kathoden zur Erzeugung von primären Elektronen. Der Plasmagenerator unterscheidet sich grundsätzlich von Anordnungen mit Kaltkathodenplasmaquellen. Er dient der Erzeugung eines dichten Plasmas und nicht als Ionenquelle.
Obwohl Penning- Plasma- und -Ionenstrahlquellen den wichtigsten Nachteil von Heißkathodenquellen wie z. B. Kaufman-Ionenquellen prinzipiell nicht aufweisen (keine störende Reaktion von Gasen, wie Sauerstoff mit der Glühkathode), haben sie nicht die gleiche Verbreitung wie die Hochfrequenz-Ionen- und Plasmaquellen gefunden, die eine vorzügliche Standfestigkeit gegenüber reaktiven Gasen aufweisen.
Kaltkathoden-Ionenstrahlquellen werden industriell hauptsächlich zur Herstellung optischer Schichten (Ion Assisted Deposition von Oxidschichten) eingesetzt, siehe H. S. Niederwald, N. Kaiser, U. B. Schallenberg, A. Duparre, D. Ristau, M. Kennedy, "IAD of oxide coatings at low temperature: a comparison of processes based on different ion sources", Ztschr. Proc. SPIE, Vol. 3133 (1997), S. 205-213. Dabei steht nur ein eng definiertes beschichtungsfreies und damit dauerstabiles Betriebsparameterfenster zur Verfügung.
Bekannt sind schließlich Penning-Meßröhren zur Gasdruckmessung in der Vakuumtechnik. Sie werden dort insbesondere zur Vakuummessung eingesetzt, wo reaktive oder korrosive Gasanteile mit auftreten können. Allerdings treten beim Betrieb mit solchen Gasgemischen oft schon nach mehrstündigem Betrieb störende Elektrodenbeschichtungen auf, weshalb Penning-Meßröhren gewöhnlich so aufgebaut sind, daß sie in derartigen Fällen routinemäßig gesäubert werden können.
Eine dem Stand der Technik entsprechende Penning-Plasmaquelle ist gewöhnlich rotationssymmetrisch aufgebaut. Ein ringförmiger Permanentmagnet erzeugt mit zwei Kathoden aus Eisen oder Nickel ein im Inneren der Anordnung im wesentlichen in Achsenrichtung verlaufendes magnetisches Feld, das die Elektronen des zu bildenden Plasmas in einer Pendelbewegung zwischen den Kathoden führt. Zusammen mit einem dazwischen befindlichen Ring, der durch Anlegen einer Gleichspannung von +400 bis +1000 V die Anode bildet, entsteht die für Penning-Anordnungen typische Form von magnetischen und elektrischen Feldern. Im Inneren der Anordnung entsteht so bei Gasdrücken im Bereich von 10^–5 bis 10^–1 mbar ein Niedertemperaturplasma, welches durch einen Gleichstrom zwischen Kathoden und Anode erzeugt wird.
Zur Aufrechterhaltung dieses Plasmas laufen Erzeugungs- und Rekombinationsvorgänge von Ladungsträgern sowohl im Inneren des Plasmas als auch an allen das Plasma kontaktierenden Wandflächen ab. Die Kathoden werden von positiven Ionen mit Ionenenergien zwischen 50 und 500 eV getroffen. Dabei werden zur Aufrechterhaltung des Plasmas benötigte Sekundärelektronen erzeugt. Weiterhin entstehen hierbei aber auch abgesputterte Atome und Ionen aus dem Kathodenmaterial (typischerweise Metalle, wie Eisen oder Nickel).
Wird die Plasmaquelle mit Gasen betrieben, die im Plasma oder auf den Wänden chemische Reaktionen mit dem abgesputterten Kathodenmaterial verursachen können (z. B. Bildung von Eisenoxid beim Betrieb mit Sauerstoff), so bilden sich auf den Wänden Schichten, die isolierend wirken können. Auf den Kathoden wird die Bildung solcher Schichten durch die auftreffenden Ionen infolge Sputterabtrag verhindert. Auf der Anode entsteht eine isolierende Schicht, die den Gleichstromkreis bestehend aus Gleichspannungsquelle, Kathoden, Anode und dem Plasma stört oder gänzlich unterbricht. Instabilitäten und Störprozesse sind die Folge, weshalb Plasma- und Ionenquellen basierend auf der dargestellten Penning Anordnung mit Reaktivgasen nur mit Einschränkungen oder gar nicht betrieben werden können, auch wenn zusätzliche Hilfseinrichtungen (Hohlkathoden, Heißkathoden) angebracht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaffen, die eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung zum Einsatz in Plasma- und Ionenquellen im Druckbereich von 10^–5 bis 10^–1mbar ermöglicht und die langzeitstabil zur Bildung eines Plasmas aus atomaren und vorwiegend molekularen Gasen eingesetzt werden kann. Es sollen insbesonders im Plasma Ladungsträgerdichten im Bereich von 10¹¹ bis 10¹³ cm^–3 erzeugt werden, die hohe, auf ein zu bearbeitendes Substrat zu leitende Plasma- oder Ionenströme ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, 2, 5, 6 oder 7 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Anordnung einschließlich deren elektrischer Beschaltung wird erreicht, daß Ionen- und Plasmaquellen aufgebaut werden können, die bei Bewahrung wichtiger Vorteile leistungsstarker Gleichspannungsentladungen Reaktivgasfestigkeiten und Standzeiten wie Hochfrequenz- oder ECR-Plasmaquellen ermöglichen.
Die Erfindung erzeugt ein Niedertemperaturplasma durch eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung bei Gasdrücken kleiner als 0.1 mbar. In der Entladungskammer besteht eine bestimmte Konfiguration von elektrischen und magnetischen Feldern, die von den Elektroden (Kathoden) in Verbindung mit den Permanentmagneten erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Lösung weist mehrere, vorzugsweise drei elektrisch miteinander verbundene Kathoden auf, die aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität hergestellt sind und zusammen mir den Permanentmagneten Magnetfelder in der Entladungskammer erzeugen. Diese Elektroden werden durch die angelegten elektrischen Spannungen stets auf negativem Potential bzgl. der sich ausbildenden Entladung gehalten, d. h. sie wirken als Kathoden. Ihre geometrische Form wird in Zusammenhang mit dem durch sie gestalteten Magnetkreis vorzugsweise so gewählt, daß die Magnetfeldlinien senkrecht zu den die Entladung berührenden Kathodenflächen austreten.
Mindestens zwei oder auch weitere gegenüber den Kathoden und gegeneinander elektrisch isolierte Elektroden aus einem Stoff niedriger magnetischer Permeabilität werden in den Zwischenräumen zwischen den Kathoden angeordnet. Sie werden durch impulsförmige Spannungen mit Frequenzen bis max. 100 kHz so angesteuert, daß sie sich abwechselnd auf Kathodenpotential oder auf bzgl. der Kathoden positivem Potential von 300-1000 V befinden, um die Entladung zu erzeugen. Diese Elektroden werden im weiteren als Niederfrequenz- bzw. NF-Elektroden bezeichnet. Die NF-Elektroden sind mit mindestens zwei Spannungsquellen verbunden, die die oben erwähnte Spannung und Frequenz aufweisen, und die erfindungsgemäß so in ihren Phasenlage gesteuert sind, daß mindestens immer eine NF-Elektrode sich auf positivem Potential befindet.
Die geometrische Form der beschriebenen Elektroden und der dadurch gebildete Entladungsraum können unterschiedlich sein. Allgemein kann zwischen ebenen und axialen Anordnungen unterschieden werden.
Bei der ebenen Anordnung bestehen die Elektroden und die Permanentmagnete aus konzentrisch in einer Ebene angeordneten Ringen, die das Niedertemperaturplasma in dem über der Ebene befindlichen Raum erzeugen. Statt einer konzentrischen Anordnung ist auch eine ebene Anordnung möglich, bei der die Elektroden und Magnete als parallele Stäbe einer bestimmten Länge zueinander angeordnet sind.
Bei der axialen Anordnung werden alle Elektroden und Permanentmagnete in z. B. Ringform (Kreis, Ellipse) um eine gemeinsame Mittelachse angeordnet, so daß ein innerer Entladungsraum um diese Achse herum entsteht, in dem das Niedertemperaturplasma gebildet wird. Auch sind Anordnungen mit Elektrodengestaltungen möglich, die statt eines zylindrischen einen prismatischen Entladungsraum entstehen lassen, bei denen also die Elektroden nicht gekrümmt, sondern eckig und der Querschnitt des Entladungsraums bspw. viereckig sind. Während dabei die Kathoden vorteilhafterweise immer Ringform haben sollen, können die NF-Elektroden auch als kurze Stäbe ausgebildet und auf der Achsenmitte angeordnet sein.
Bei allen diesen Entladungsformen werden mit der alternierenden Anordnung der Kathoden und Permanentmagnete magnetische Kreise gebildet. Je nachdem wie die Permanentmagnete bzgl. ihrer Magnetisierungsrichtung angeordnet sind, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die unterschiedliche Magnetfeldformen im Entladungsraum zur Folge haben. Eine vorteilhafte Gestaltung der Magnetfelder im Entladungsraum ergibt sich, wenn die Permanentmagnete mit alternierenden Magnetpolen angeordnet werden, was Magnetfelder mit gleicher axialer (axiale Anordnung) oder gleicher radialer (konzentrisch ebene Anordnung) Komponente zur Folge hat. Da die Kathoden aus magnetisierbarem Stoff bestehen müssen, stehen nur wenige Stoffe wie Eisen, Nickel oder Chrom zur Verfügung. Werden diese Elemente aufgrund der plasmachemischen Wechselwirkung mit dem Plasma im Entladungsraum abgetragen, so können die Kathodenoberflächen mit einem dünnen, max. 1 mm dicken Auflageteil oder einer Beschichtung versehen werden, die gegenüber dem Plasma widerstandsfähiger ist, aber nur eine geringe magnetische Permeabilität aufweist, ohne daß der Verlauf der Magnetfelder nennenswert gestört wird. Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich dann, wenn die Beschichtung oder das Auflageteil aus einem Stoff besteht, der, sollte doch ein Stoffabtrag stattfinden, ein Reaktionsprodukt abgibt, das im vorgesehenen Plasmaprozeß keine störenden Nebenwirkungen hervorruft.
Mit den beschriebenen Entladungsanordnungen können Niedertemperaturplasmen mit Querschnitten zwischen einigen Millimetern und ca. 100 mm bei Plasmaströmen bis etwa 1 A erzeugt werden. Sollen größere Flächen oder Ströme erzeugt werden, so können mehrere erfindungsgemäße Entladungsanordnungen nebeneinander in einer Ebene so angeordnet werden, daß sie eine Reihe bilden (Linearquelle) oder daß sie rasterförmig über z. B. ein rechteckiges Gebiet verteilt sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung erzeugt ein Niedertemperaturplasma vorzugsweise bei Gasdrücken von 10^–1 bis 10^–3 mbar. Die Anordnung kann direkt als Plasmaquelle eingesetzt werden, indem sie vorteilhaft so gestaltet wird, daß ein möglichst hoher Plasmastrom in die Vakuumkammer austritt und dort für einen Dünnschichtprozeß nutzbar ist. Sie kann auch in einer Breitstrahlionenquelle eingesetzt werden, bei der mittels mehrere Lochgitter Breitionenstrahlen bis zu Ionenenergien von mehreren keV extrahiert werden.
Durch die Erfindung werden Plasma- und Ionenquellen geschaffen, die bei Bewahrung der Vorteile von leistungsstarken Gleichspannungsentladungen, wie hoher Ionisationsgrad, starke Dissoziation von molekularen Gasen, langzeitstabil mit reaktiven Gasen zum Erzeugen hochreaktiver Plasmen oder Ionenstralen eingesetzt werden können. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden nur Plasmaerzeugung und durch den Betrieb der Entladung mit Niederfrequenzspannungen kommt es weder zu gleichspannungsentladungstypischen Plasmainstabilitäten noch zur Bildung störender Schichten auf den Elektroden. Die Anordnung ist aufgrund ihrer plasmaphysikalischen Funktionsweise sehr gut zum Aufbau in unterschiedlichsten Abmessungen und Leistungsstärken geeignet. Sie kann sowohl im Labor- als auch im Industriemaßstab zu Prozessen, wie der Plasma- und ionenstrahlgestützten Abscheidung von dünnen Schichten für optisch transparente Schichten, Hartstoffschichten oder z. B. diamantähnlichen DLC-Schichten eingesetzt werden. Bei Einsatz von z. B. halogenhaltigen Gasen können leistungsfähige reaktive Ionenstrahlätzer (Reactive Ion Beam Etching – RIBE) mit Ionenstromdichten bis 10 mA/cm² aufgebaut werden. Weiterhin kann die Anordnung als Plasmaquelle in Ionenimplantationsanlagen nach dem Prinzip der Plasma Immersion Ion Implantation (PIII) eingesetzt werden. Schließlich können mit der erfindungs gemäßen Anordnung Druckmesseinrichtungen für den Hochvakuumbereich aufgebaut werden, die wartungsfrei zur Gasdruckmessung auch bei reaktiven Gasen eingesetzt werden können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von fünfzehn in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste erfindungsgemäße Anordnung in einem Längsschnitt,
2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der impulsförmigen NF-Elektrodenspannungen,
3a) und b) eine rotationssymmetrische und eine rechteckige Querschnittsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
4a) und b) eine gleichgerichtete und eine entgegengesetzt gerichtete Anordnung von Permanentmagneten,
5 eine Anordnung mit Kathodenoberflächen aus einem nichtmagnetischen Material,
6 eine Anordnung mit zwei stabförmigen NF-Elektroden,
7 eine ebene Anordnung einer NF-Kaltkathoden-Entladung,
8 eine lineare Anordnung von NF-Kaltkathoden-Plasmaquellen,
9 eine flächenhafte Anordnung von rotationssysmmetrischen NF-Kaltkathoden-Plasmaquellen,
10 eine NF-Kaltkathoden-Plasmaquelle für optimierten Plasmaaustritt,
11 eine NF-Kaltkathoden-Ionenquelle mit einem Extraktionsgitter für niedrige Ionenenergien und hohe Ionenströme,
12 eine NF-Kaltkathoden-Ionenquelle mit zwei Extraktionsgittern für hohe Ionenenergien,
13 eine lineare NF-Kaltkathoden-Plasmaquelle mit in ihrer Plasmaerzeugung separat geregelten Zellen und
14 eine NF-Kaltkathoden Anordnung als Druckmesseinrichtung.
Eine Anordnung 10 nach 1 ist rotationssymmetrisch bzgl. einer Mittelachse 19. Es werden zwei Ringmagnete 13 und 15 zwischen drei leitenden Kathoden 11 aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität so angeordnet, daß der Nordpol N des Magneten 13 mit dem Südpol S des Magneten 15 über eine dazwischen befindliche Zwischenkathode 17 Kontakt hat. Andere Magnetfeldkonfigurationen sind möglich und werden später beschrieben. Die Magnetfeldstärke auf der Mittelachse 19 liegt im Bereich von 5-100 mT, d. h. das Magnetfeld übt eine starke Führungswirkung auf die Elektronen bei den entladungstypischen Elektronenenergien aus. Die Bewegung der Ionen ist dagegen durch das Magnetfeld unbeeinflußt.
Durch Anordnung von zwei ringförmigen NF-Elektroden 12 und 16 jeweils zwischen den Kathoden 11 entsteht hierbei ein Entladungsraum aus zwei Entladungszellen 181, 182, die jede für sich den bekannten Penning-Anordnungen gleichen. Dieser Entladungsraum ist durch die in der Zeichnung links liegende Kathode 11 verschlossen und durch die in der Zeichnung rechts liegende Kathode 11 mit einer Plasmaaustrittsöffnung 192 versehen. Durch die Kopplung der beiden Entladungszellen 181, 182 verläuft ein Teil der Magnetfeldlinien innerhalb der jeweiligen Entladungszelle und fährt in ihr die Elektronen. In Abhängigkeit von der Gestaltung der magnetischen Kreise führt ein Teil der magnetischen Feldlinien 191 vorteilhaft durch beide Entladungszellen 181, 182 und stellt eine magnetische Kopplung her.
Die Anoden 12 und 16 werden mit den in 2. dargestellten impulsförmigen Spannungen mit Frequenzen von maximal 100 kHz über Spannungsquellen 210 und 211 betrieben. Die Impulsspannungen haben vorteilhaft Rechteckform mit einer Amplitude, die einer erforderlichen Brennspannung U_ACO des zu erzeugenden Niedertemperaturplasmas von 41000 V entspricht. Die Spannungszeitverläufe beider Spannungsquellen 210, 211 sind um eine Phasenlage von 180 Grad versetzt. Andere Impulsformen (z. B. Sinusform, Sägezahnimpulse) sind ebenfalls möglich. Bei allen Impulsformen ist die Spannungslage so bemessen, daß der Maximalwert der Brennspannung U_ACO entspricht und der Minimalwert 0 V ist. Eine Gleichspannungsquelle 212 verschiebt die Potentiallage des austretenden Plasmas.
Bei der Erzeugung des Plasmas 14, 18 im Inneren, im Entladungsraum der erfindungsgemäßen Anordnung laufen nun folgende Vorgänge ab. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist bspw. die Spannung U_ACC1 der Spannungsquelle 210 auf ihrem Maximalwert U_ACO und die Spannung U_ACC2 der Spannungsquelle 211 Null. Damit bilden sich in der linken (hinteren) Entladungszelle 181 die für das Entstehen des Plasmas notwendigen elektrischen und magnetischen Felder heraus. Es wird Plasma 14 gebildet. Die rechte (vordere) NF-Elektrode 16 wirkt momentan als Kathode. Zusätzlich zu den Kathoden (11) wird sie von positiven Ionen getroffen, die Sputtereffekte bewirken. Die rechte (vordere) Entladungszelle 182 wird, abhängig von der Magnetfeldführung der Elektronen, auch mit Plasma 18 gefüllt. Ist die Phasenlage der Impulsspannungen um 180 Grad fortgeschritten, so ist genau der umgekehrte Zustand erreicht, d. h. die vordere Elektrode 16 befindet sich momentan auf Spannung U_ACO, die vordere Entladungszelle 182 erzeugt das Plasma 18 und die hintere NF-Elektrode 12 wirkt als Kathode und wird von Ionen getroffen, die in der vorherigen Phase auf ihr gebildete Schichten wieder abtragen.
Jede der Elektroden 12, 16 wirkt durch die angelegte Niederfrequenz alternierend zeitweise als Kathode und als Anode; diese Elektroden werden in dieser Beschreibung als Niederfrequenz-Elektroden (NF-Elektroden) bezeichnet.
Der Spannungswechsel gewährleistet für die Mehrzahl aller reaktiven Gase, daß der Sputterabtrag an den NF-Elektroden 12, 16 in der Kathodenphase größer ist als die auftretende Beschichtung in der Anodenphase und hat eine ungestörte Kontaktierung des Plasmas 14, 18 durch die NF-Elektroden zur Folge. Die Elektroden 11, die in jeder Phase als Kathoden wirken, sind ständig dem Ionenbeschuß ausgesetzt, der eine Beschichtung verhindert.
Für den Fall, daß z. B. stark plasmapolymerisierende Monomere (z. B. Ethylen, Hexamethyldisiloxan o. ä.) verwendet werden, bei denen trotz des eben beschriebenen wechselnden Auf- und Abtrags dennoch isolierende Schichten auf den Elektroden entstehen, kann trotzdem ein Plasma erzeugt werden, solange der kapazitive Widerstand der durch das System Elektrode-Elektrodenschicht (Dielektrikum)-Plasma gebildete Kondensator bei der gegebenen Frequenz f einen Spannungsabfall von maximal 20% der Betriebsspannung nicht überschreitet. Diese Bedingung ist erfüllt, solange die Schichtdicke dieser Schichten d_max kleiner ist als
Dabei bedeuten:

ΔU: – maximal tolerierbarer Spannungsabfall an der Schicht,
f: – Frequenz (NF),
ε₀, ε: – absolute bzw. relative Dielektrizitätskonstante,
j: Stromdichte.

Bei typischen Werten von ΔU = 50 V, f = 50 kHz, ε = 3 und j = 50 mAcm^–2 ergibt sich eine Grenzschichtdicke von ca. 2 μm.
Um die Plasmaparamater der erzeugten Entladung und damit die für eine Anwendung wichtigen Größen, wie extrahierter Plasma- oder Ionenstrom zu steuern, wird die Abhängigkeit dieser Größen von der Amplitude der NF-Betriebsspannung (U_ACO in 2) ausgenutzt. Damit kann der zugehörige NF-Betriebsstrom etwa in einem Bereich von 20 bis 100% des Maximalstroms gesteuert werden. Eine weitere Möglichkeit der Steuerung der Plasmaintensität in einem noch wesentlich größeren Bereich kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn zusätzlich das Tastverhältnis der NF-Spannungen verändert wird. Im normalen Betriebsfall beträgt das Tastverhältnis für z. B. NF-Elektrode 1 (12 in 1) 50%. Es ist Stand der Technik bei Schaltnetzteilen, Spannungen mit Tastverhältnissen zwischen z. B. 5% und 95% zu variieren. Diese Art der Intensitätssteuerung kann bei allen Plasma- und Ionenstrahlprozessen eingesetzt werden, bei denen die dadurch entstehende Modulation der Plasma- und Ionenstrahlgrößen mit der angelegten Frequenz sich nicht nachteilig auswirkt. Durch Kombination dieser beiden Steuerprozesse kann die Plasmaintensität um über zwei Größenordnungen gesteuert werden. Dies kann z. B. vorteilhaft zur präzisen Steuerung von Ätz- oder Beschichtungsraten ausgenutzt werden.
Die in 1 im axialen Längsschnitt gezeigte Anordnung kann sowohl rotationssysmmetrisch als auch rechteckig ausgeführt werden, wie dies in den Frontansichtsdarstellungen der 3a) und b) gezeigt ist. Ein zylinderförmiger Plasmaquellenkörper 31 enthält in sich ein ringförmiges Magnetsystem 33, ringförmige Kathoden und ringförmige NF-Elektroden 32. Das Plasma tritt nach vorn durch eine kreisförmige Öffnung 34 aus. 3b) zeigt außerdem eine im Querschnitt rechteckige Ausführungsform in Frontansicht. In einem Plasmaquellengrundkörper 35 sind die vordere und hintere NF-Elektrode (16 und 12 in 1) jeweils als zwei gegenüberliegende Platten 36 ausgeführt. Gleiches trifft für die Permanentmagnete 15, 13 in 1 zu, die über und unter den Platten 36 als Platten 38 erkennbar sind. Das Plasma tritt durch eine rechteckige Öffnung 37 aus.
Als Magnetsysteme in 1. können ringförmigen Permanentmagnete verwendet werden. Möglich ist auch die parallele Anordnung von Stabmagneten in einem ringförmigen Halter. In jedem Fall ist die Magnetisierungsrichtung der Magnetanordnung in Richtung der Achse 19 der 1 zu wählen. Werden zwei Magnetsysteme dieser Art aneinander wie in 1 angeordnet, gibt es folglich zwei Möglichkeiten der Polung der Magnete. Dies ist in 4a) und b) dargestellt. Die Anordnung 41 in 4a) enthält Magnetsysteme 42 mit abwechselnder Magnetisierungsrichtung. Die als Pfeile gestalteten Magnetfeldlinien 43 zeigen in beiden durch eine Zwischenkathode 44 getrennten Entladungszellen der Anordnung 41 in die gleiche Richtung. Die Magnetsysteme 46 in Anordnung 45 sind mit gleichen Polen (z. B. Südpol) an einer Zwischenkathode 48 zusammengesetzt. Es ergeben sich Magnetfeldlinien 47 entgegengesetzter Richtung in den beiden Entladungszellen.
Aufgrund der chemischen und physikalischen Wechselwirkungen zwischen dem Plasma und den Elektrodenoberflächen kann es zum Abtrag von Wandmaterial kommen, das als gasförmige Verunreinigung im Plasma störenden Einfluß haben kann (z. B. Eisenverbindungen in einem Fluorkohlenstoff-Ätzplasma). Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn das Elektrodenmaterial aus chemischen Elementen oder Verbindungen gewählt wird, die ohne störenden Einfluß in die ablaufenden plasmachemischen Vorgänge integriert werden können (z. B. Graphitelektroden in einem Fluorkohlenstoff-Ätzplasma): Die NE-Elektroden können direkt aus einem solchen Material hergestellt werden, bei den Kathoden muß die Magnetfeldführung außerdem gewährleistet sein. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die Kathoden 51 aus einem Metall hoher magnetischer Permeabilität mit aufgebrachten dünnen Schichten oder aufzusetzenden Teilen 52 aus einem anderen Material versehen sind. Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn dieses Material so gewählt wird, daß durch das Plasma gebildete gasförmige Folgeprodukte keine Störung im vorgeschenen Prozeß verursachen.
Neben den bisher beschriebenen und dargestellten dominierenden Farmen der Niederfrequenz-Kaltkathodenentladung gibt es weitere erfindungsgemäß ausführbare Formen von Anordnungen mit zwei Entladungszellen, die mit impulsförmigen Spannungen an NF-Elektroden betrieben werden 6 zeigt eine solche Anordnung 60 mit zwei stabförmigen NF-Elektroden 62, 64 auf einer Mittelachse 65. In das den bisherigen Ausführungsformen entsprechende Magnet- und Kathodensystem wird über eine isolierende Hülse 61 eine aus zwei Stäben 62 und 64 bestehende doppelte NF-Elektrode eingeführt. Beide NF-Elektroden sind elektrisch voneinander durch einen Isolator 63 getrennt. Die NF-Elektroden 62, 64 werden elektrisch wie in 1 und 2 beschaltet.
7 zeigt eine eben angeordnete Niederfrequenz-Kaltkathoden-Entladungsanordnung 70 mit einem Plasma 76. Die gesamte Anordnung kann rotationssymmetrisch bzgl. einer in der Zeichenebene liegenden Achse 75 mit konzentrisch angeordneten Elektroden sein oder die einzelnen Elemente können rechtwinklig zur Zeichenebene mit dem gezeigten Querschnitt fortgesetzt werden. Nachfolgend wird der rotationssymmetrische Fall weiter betrachtet. Auf einem Träger 71 sind kreisringförmigen Kathoden 72 mit dazwischen befindlichen einzelnen Magneten 74 angeordnet. Die Magnetisierungsrichtung der beiden Magnete 74 führt von einer Kathode 72 zur nächsten Kathode 72. Die Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnete 74 können analog zur Darstellung in 4 gleiche oder entgegengesetzte Richtung haben. Zwei ringförmige NF-Elektroden 73 ergänzen die Anordnung zur erfindungsgemäßen Niederfrequenz-Kaltkathoden-Entladungsanordnung 70 mit einem Plasma 76.
Während die Entladungsanordnung nach 1 vorteilhaft für Plasmadurchmesser kleiner 100 mm verwendet werden kann, wird die ebene flächenhafte NF-Kaltkathodenentladung nach 7 vorteilhaft für Plasmadurchmesser über 100 mm verwendet.
Mit den bisher gezeigten nicht ebenen Niederfrequenz-Kaltkathodenanordnungen nach 1 können Plasmaaustrittsflächen von typischerweise einigen Millimetern bis ca. 100 mm Durchmesser und Plasmaströme bis max. 1 A erreicht werden. Sollen wesentlich größere Plasmaaustrittsflächen und Plasmaströme realisiert werden, können mehrere Niederfrequenz-Kaltkathoden-Anordnungen lateral nebeneinander angeordnet werden, wie dies in den folgenden 8 und 9 gezeigt ist. Die Kaltkathodenanordnungen können separat oder vorteilhafterweise auch aus einer gemeinsamen Spannungsversorgung betrieben werden (siehe 14). Werden n Entladungszellen in dieser Weise parallel angeordnet, so ergibt sich ein n-facher Gesamtplasmastrom.
8 zeigt die Frontansicht einer linearen Anordnung 81 von Niederfrequenz-Kaltkathodenquellen in rechteckiger Ausführung. Während die Plasmaräume der einzelnen Quelle miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Plasmaraum mit einer gemeinsamen, in der Zeichenebene liegenden Plasmaaustrittsöffnung 84 besitzen, können die Anoden 83 und die Magnetsysteme 82 in lateraler Richtung nochmals unterteilt sein.
9 zeigt dagegen eine flächenförmige Anordnung 91 von völlig selbständigen runden, mit ihren Achsen rechtwinklig zur Zeichenebene gerichteten Niederfrequenz-Kaltkathodenanordnungen 92, von denen jede ähnlich wie in 1 aufgebaut ist, mit separaten Plasmaaustrittsöffnungen 93.
In den 8 und 9 zeigen die Plasmaaustrittsöffnungen 84, 93 und/oder die hinter den Plasmaaustrittsöffnungen sich rechtwinklig zur Zeichenebene erstreckenden und deshalb nicht sichtbaren Entladungsräume der Anordnungen 81, 91 in die gleiche Richtung.
10 zeigt eine Plasmaquelle 100 nach dem Prinzip von 1, mit Kathoden 101, ringförmigen Elektroden 102, Ringmagneten 103, die konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse 108 angeordnet sind, wobei die Magnetfeldgestaltung im Bereich der vorderen Kathode durch deren konische Fläche 107 so verändert wurde, daß die Magnetfeldlinien einen möglichst hohen Anteil des im Inneren erzeugten Plasmas nach außen auf ein zu bearbeitendes Substrat 109 abführen. Es entsteht außerhalb der Quelle ein Gleichstromplasma, mit dem Flächen bis zu 1 m² mit Ionenenergien zwischen 20 und 500 eV bearbeitet werden können. Die Anordnung der Spannungsversorgungen (104, 105, 106) entspricht der Anordnung in 1. Mit der Gleichspannungsquelle 106 kann die Potentiallage des austretenden Plasmas verschoben werden. Vorteilhaft wird eine Spannung von 0 bis + 500 V verwendet, um hohe Ionenenergien auf dem auf Masse befindlichen Substrat 109 zu erreichen. Eine weitere günstige Möglichkeit der Beschaltung mit der Gleichspannungsquelle 106 ergibt sich, wenn hiermit die Potentiallage des austretenden Plasmas bezüglich des Massepotentials (bspw. nicht dargestellte Vakuumkammer oder eines anderen außerhalb der Anordnung befindlichen Teiles) gesteuert wird.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem eine Niederfrequenz-Kaltkathodenanordnung 11 mit einem Lochgitter (Extraktionsgitter) 112 versehen ist. Die Anordnung 11 wird wie in 1 bereits gezeigt mit dazugehörigen Spannungsquellen 114 betrieben. Je nach Größe und Polarität der Spannung U₁ wird das Extraktionsgitter 112 auf positivem (Extraktion von negativen Ionen und Elektronen) oder negativem (Extraktion von positiven Ionen) Potential bzgl. des Plasmapotentials der Niederfrequenzentladung gehalten.
Vorteilhaft wird diese Anordnung 111 zur Extraktion von positiven Ionen mit Ionenenergien zwischen 30 und 300 eV eingesetzt. Auch mit dieser Anordnung können wie bei Eingitterionenquellen allgemein vergleichsweise große Ionenströme extrahiert werden. Aufgrund der dadurch entstehenden positiven Raumladung in einem extrahierten Ionenstrahl 117 ist es vorteilhaft, den Ionenstrahl durch Zugabe von Elektronen aus einem Elektronen einspeisenden Gerät zu neutralisieren. In 11 ist die Ionenstrahlneutralisation durch einen elektrisch durch eine Spannungsquelle 116 geheizten Elektronen emittierenden Draht 113, bspw. aus Wolfram dargestellt. Mittels einer Spannungsquelle 115 wird das Extraktionsgitter in seiner Potentiallage so beeinflußt, daß entweder kein Elektronenstrom (U₂ = –50 ... –100 V) oder ein definierter, die Ionisation im Entladungsraum fördernder Elektronenstrom eingespeist wird (U₂ = –50 ... +100 V).
Um Breitionenstrahlen mit Ionenenergien größer 100 eV zu erzeugen, ist es vorteilhaft, die Niederfrequenz-Kaltkathodenentladung nach 1 mit einem aus zwei Extraktionsgittern 122 und 123 bestehenden Breitionenstrahlextraktionssystem gemäß 12 zu versehen. Das nahe dem Plasma befindliche Gitter 122 wird vorteilhaft ohne äußere Beschaltung mit einer Spannungsquelle ausgeführt, so daß es als etwa auf Plasmapotential befindliches Schirmgitter wirkt, von dem aus positive Ionen mittels des Gitters 123 extrahiert werden, das sich bezüglich des Gitters 122 auf negativem Potential befindet.
Die Energie der extrahieren Ionen richtet sich nach einer Spannungsquelle 126. Sie kann bis zu 2000 eV betragen. Die Niederfrequenzentladung erzeugenden Spannungsquellen 125 und die gesamte Kaltkathodenentladungsanordnung 121 werden daher durch die Spannungsquelle 126 auf ein positives Potential bzgl. Masse gesetzt.
Ein extrahierte Ionenstrahl 129 mit typischem Durchmesser von 30-100 mm kann, wie bereits im vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, durch einen Elektronen emittierenden geheizten Draht 124 neutralisiert werden, der elektrisch durch eine Gleichspanaungsquelle 128 versorgt wird. Die Gleichspannungsquelle 127 spannt das Lochgitter 123 negativ bzgl. des Neutralisators 124 vor und verhindert so ein Eindringen eines Elektronenstroms in das Extraktionsgittersystem 122, 123.
Werden mehrere Niederfrequenz-Kaltkathodenanordnungen nach 1 nebeneinander linear (8) oder flächenhaft (9) angeordnet, um eine großflächige Plasmaquelle 131 zu bilden, ist es vorteilhaft, wenn über Anschlüsse 132, 133 die einzelnen Kaltkathodenanordnungen aus einer gemeinsamen Spannungsversorgung in Reihe mit separat regelbaren Vorwiderständen 134 betrieben werden, so wie das in 13 dargestellt ist. Die NF-Elektroden der einzelnen Entladungsquellen sind also zu zwei Gruppen zusammengeschaltet, die von jeweils einer gemeinsamen Spannungsquelle 135 bzw. 136 betrieben werden.
Die schematisch als regelbare ohmsche Widerstände dargestellten Vorwiderstände 134 sind so bemessen, daß an ihnen in Abhängigkeit vom eingestellten Regelwert zwischen 5 und 50% der von Spannungsquellen 135 und 136 erzeugten Niederfrequenzspannung abfällt. Damit kann die Intensität des sich in den einzelnen Entladungszellen der großflächigen Plasmaquelle 131 ausbildenden Plasmas eingestellt werden, z. B. um eine Plasmaverteilung mit Inhomogenitäten kleiner 5% in der in 13 dargestellten Zeile zu erreichen. Eine Gleichspannungsquelle 137 dient der Verschiebung der Potentiallage des austretenden Plasmas.
Das in 13 dargestellte Prinzip kann auch für flächenhafte Anordnungen nach 9 Anwendung finden.
Neben den bisherigen Anwendungsbeispielen, die darauf ausgerichtet sind, einen Plasma- oder Ionenstrom auf Substrate zu Zwecken der Dünnschichttechnologie zu leiten, zeigt 14 eine Anwendung der Niederfrequenz-Kaltkathodenentladung zur Druckbestimmung im Druckbereich von 10^–5 bis 10^–1 mbar, die vorteilhaft auf einer Anordnung mit stabförmigen NF-Elektroden nach 6 beruht.
Eine mit einem vakuumdichten Gehäuse 142 versehene Niederfrequenz-Kaltkathodenanordnung 141 ist über einen Vakuumflansch 146 an eine Vakuumkammer 143 angeschlossen, in der der Druck gemessen werden soll. Die Entladung wird mit zwei Niederfrequenz-Spannungsversorgungen 144 nach 1 betrieben. Als Meßgröße für den Gasdruck wird der Kathodenstrom 145 (Strommesser) in Zusammenhang mit den NF-Spannungen U_ACC1 und U_ACC2 ausgewertet. Auf diese Weise entsteht eine Druckmesseinrichtung 140, welche die Gasdruckabhängigkeit der Werte der elektrischen Betriebsgrößen zur Bestimmung des Gasdrucks ausnutzt und im Gegensatz zu mit Gleichspannung betriebenen Penning- oder Ionisationsvakuummetern auch bei chemisch agressiven oder beschichtenden Gasen eingesetzt werden kann.

10, 41, 45, 60, 81, 91: Anordnungen
11, 51, 72, 101: Kathoden
12, 16, 102: NF-Elektroden
13, 15, 74: Magnete
14, 18, 76: Plasma
17, 44, 48: Zwischenkathoden
19, 65: Mittelachse
31: Plasmaquellenkörper
32, 62, 64, 73: NF-Elektroden
33, 42, 46, 82: Magnetsysteme
34, 37: Öffnung
35: Plasmaquellengrundkörper
36, 38: Platten
43, 47: Magnetfeldlinien
52: aufzusetzende Teile
61: Hülse
63: Isolator
70: Entladungsanordnung
71: Träger
75, 108: Achse
83: Anoden
84, 93: Plasmaaustrittsöffnung
92: Niederfrequenz-Kaltkathodenanordnung
100, 131: Plasmaquelle
103: Ringmagnete
104, 105, 106, 144: Spannungsversorgungen
107: konische Flächen
109: Substrat
111, 141: NF-Kathodenanordnung
112, 122, 123: Lochgitter, Extraktiosgitter
113, 124: Elektronen emittierender Draht
114, 115, 116, 125, 126, 135, 136, 210, 211: Spannungsquel
: len
117, 129: Ionenstrahl
121: Kaltkathodenentladungsanordnung
127, 128, 137, 212: Gleichspannungsquellen
181, 182: Entladungszellen
191: Feldlinien
192: Plasmaaustrittsöffnung
132, 133: Anschlüsse
134: Vorwiderstände
140: Druckmeßeinrichtung
142: Gehäuse
143: Vakuumkammer
145: Kathodenstrom(messer)
146: Vakuumflansch

Claims

Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas in einer Entladungskammer durch eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung bei einem Gasdruck, der kleiner als 0.1 mbar ist, wobei die Entladungskammer folgende Kombination umfasst: elektrisch miteinander verbundene, aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität bestehende Kathoden. Permanentmagnete, die mit den Kathoden in der Entladungskammer Magnetfelder erzeugen, mindestens zwei voneinander und von den Kathoden elektrisch isolierte, aus einem Stoff niedriger magnetischer Permeabilität bestehende NF-Elektroden, wobei zwischen den einzelnen NF-Elektroden und Kathoden zur Entladungserzeugung impulsförmige Spannungen angelegt sind, deren Frequenz kleiner als 100 kHz ist und deren Impulsform und Phasenlage so gestaltet sind, daß mindestens immer eine der NF-Elektroden sich auf Kathodenpotential und mindestens eine weitere NF-Elektrode sich auf dem die Entladung erzeugenden positiven Potential bezüglich der Kathoden befindet, wobei die Kathoden aus drei koaxial angeordneten Ringen bestehen, die zumindest annähernd gleiche Durchmesser und axiale Abstände voneinander haben, in denen sich die ebenfalls koaxial angeordneten und ringförmig gestalteten Permanentmagnete befinden, wobei im Inneren der Ringe sich ein Entladungsraum mit rotationssymmetrischen Magnetfeldern befindet, und wobei zwei ringförmige NF-Elektroden die gleiche Innendurchmesser haben wie die Kathoden und im Inneren der ringförmigen Permanentmagnete und mit den Kathoden koaxial angeordnet sind.
Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas in einer Entladungskammer durch eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung bei einem Gasdruck, der kleiner als 0.1 mbar ist, wobei die Entladungskammer folgende Kombination umfasst: elektrisch miteinander verbundene, aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität bestehende Kathoden, Permanentmagnete, die mit den Kathoden in der Entladungskammer Magnetfelder erzeugen, mindestens zwei voneinander und von den Kathoden elektrisch isolierte, aus einem Stoff niedriger magnetischer Permeabilität bestehende NF-Elektroden, wobei zwischen den einzelnen NF-Elektroden und Kathoden zur Entladungserzeugung impulsförmige Spannungen angelegt sind, deren Frequenz kleiner als 100 kHz ist und deren Impulsform und Phasenlage so gestaltet sind, daß mindestens immer eine der NF-Elektroden sich auf Kathodenpotential und mindestens eine weitere NF-Elektrode sich auf dem die Entladung erzeugenden positiven Potential bezüglich der Kathoden befindet, wobei die Kathoden aus drei koaxial angeordneten Ringen bestehen, die zumindest annähernd gleiche Durchmesser und axiale Abstände voneinander haben, in denen sich die ebenfalls koaxial angeordneten und ringförmig gestalteten Permanentmagnete befinden, wobei im Inneren der Ringe sich ein Entladungsraum mit rotationssymmetrischen Magnetfeldern befindet, und wobei zwei stabförmige NF-Elektroden auf der Mittelachse der Ringe so angeordnet sind, daß sie sich in axialer Richtung jeweils zwischen zwei Kathoden befinden.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente des Magnetfelds in axialer Richtung im Entladungsraum stets in die gleiche Richtung gerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente des Magnetfelds in axialer Richtung im Bereich jeweils einer NF-Elektrode entgegengesetzt zur Richtung der axialen Komponente des Magnetfelds im Bereich der anderen NF-Elektrode ist.
Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas in einer Entladungskammer durch eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung bei einem Gasdruck, der kleiner als 0.1 mbar ist, wobei die Entladungskammer folgende Kombination umfasst: elektrisch miteinander verbundene, aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität bestehende Kathoden, Permanentmagnete, die mit den Kathoden in der Entladungskammer Magnetfelder erzeugen, mindestens zwei voneinander und von den Kathoden elektrisch isolierte, aus einem Stoff niedriger magnetischer Permeabilität bestehende NF-Elektroden, wobei zwischen den einzelnen NF-Elektroden und Kathoden zur Entladungserzeugung impulsförmige Spannungen angelegt sind, deren Frequenz kleiner als 100 kHz ist und deren Impulsform und Phasenlage so gestaltet sind, daß mindestens immer eine der NF-Elektroden sich auf Kathodenpotential und mindestens eine weitere NF-Elektrode sich auf dem die Entladung erzeugenden positiven Potential bezüglich der Kathoden befindet, wobei der Entladungsraum rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Kathoden aus drei koaxial angeordneten Platten mit rechteckiger Öffnung (37) bestehen, die zumindest annähernd gleiche Querschnitte und axiale Abstände voneinander aufweisen, wobei zwischen den Kathodenplatten zwei jeweils als zwei gegenüberliegende Platten ausgeführte NF-Elektroden (36) angeordnet sind, und wobei vom Entladungsraum aus gesehen hinter den NF-Elektrodenplatten (36) jeweils Permanentmagnete als Platten (38) angeordnet sind.
Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas in einer Entladungskammer durch eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung bei einem Gasdruck, der kleiner als 0.1 mbar ist, wobei die Entladungskammer folgende Kombination umfasst: elektrisch miteinander verbundene, aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität bestehende Kathoden, Permanentmagnete, die mit den Kathoden in der Entladungskammer Magnetfelder erzeugen, mindestens zwei voneinander und von den Kathoden elektrisch isolierte, aus einem Stoff niedriger magnetischer Permeabilität bestehende NF-Elektroden, wobei zwischen den einzelnen NF-Elektroden und Kathoden zur Entladungserzeugung impulsförmige Spannungen angelegt sind, deren Frequenz kleiner als 100 kHz ist und deren Impulsform und Phasenlage so gestaltet sind, daß mindestens immer eine der NF-Elektroden sich auf Kathodenpotential und mindestens eine weitere NF-Elektrode sich auf dem die Entladung erzeugenden positiven Potential bezüglich der Kathoden befindet, wobei drei ringförmige Kathoden mit zwei dazwischenliegenden ringförmigen Magneten konzentrisch um eine Mittelachse in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Magnetisierungsrichtung der Magnete in dieser Ebene liegt und radial ausgerichtet ist, und wobei zwei ringförmige NF-Elektroden konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sind, daß sie sich in radialer Richtung jeweils zwischen den Kathoden befinden und zusammen mit den Kathoden einen offenen rotationssymmetrischen Entladungsraum bilden.
Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas in einer Entladungskammer durch eine magnetfeldgestützte Kaltkathodenentladung bei einem Gasdruck, der kleiner als 0.1 mbar ist, wobei die Entladungskammer folgende Kombination umfasst: elektrisch miteinander verbundene, aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität bestehende Kathoden. Permanentmagnete, die mit den Kathoden in der Entladungskammer Magnetfelder erzeugen, mindestens zwei voneinander und von den Kathoden elektrisch isolierte, aus einem Stoff niedriger magnetischer Permeabilität bestehende NF-Elektroden, wobei zwischen den einzelnen NF-Elektroden und Kathoden zur Entladungserzeugung impulsförmige Spannungen angelegt sind, deren Frequenz kleiner als 100 kHz ist und deren Impulsform und Phasenlage so gestaltet sind, daß mindestens immer eine der NF-Elektroden sich auf Kathodenpotential und mindestens eine weitere NF-Elektrode sich auf dem die Entladung erzeugenden positiven Potential bezüglich der Kathoden be findet, wobei drei stabförmige Kathoden mit zwei dazwischenliegenden Magneten in einer Ebene angeordnet werden, wobei die Magnetisierungsrichtung der Magnete senkrecht zu den Kathoden in der Ebene liegt, und wobei zwei stabförmige NF-Elektroden parallel zu den stabförmigen Kathoden in den Zwischenräumen zwischen den Kathoden angeordnet werden und so einen offenen linearen Entladungsraum bilden.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtung der beiden Magnete die gleiche Richtung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtung der beiden Magnete entgegengesetzte Richtung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden vollständig bis zu dem Bereich mit Plasmakontakt aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden teilweise aus einem Stoff hoher magnetischer Permeabilität gebildet sind und an den Bereichen mit Plasmakontakt entweder mit einer Schicht oder einem aufliegenden Teil aus einem anderen Material niedriger magnetischer Permeabilität überzugen sind.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich gemittelten Plasmaparameter der Entladung durch das Taktverhältnis der an die NF- Elektroden angelegten Spannungen gesteuert werden.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Plasmaquellen nebeneinander so angeordnet sind, daß ihre Plasmaaustrittsöffnungen oder Entladungsräume in eine gemeinsame Richtung zeigen.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Plasmaquellen nebeneinander in einer Ebene so angeordnet sind, daß ihre Plasmaaustrittsöffnungen oder Entladungsräume in eine gemeinsame Richtung zeigen.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, daß die NF-Elektroden der einzelnen Plasmaquellen zu zwei Gruppen zusammengeschaltet sind, die von jeweils einer gemeinsamen Spannungsquelle betrieben werden.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die NT-Elektroden der Einzelquellen mit voneinander unabhängig steuerbaren Spannungsquellen zur Einstellung einer vorgegebenen Plasmaverteilung betrieben werden.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kathoden und einem außerhalb befindlichen Teil ein Plasmastrom extrahiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5 oder 13-14, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines an der Plasmaaustrittsseite angeordneten Lochgitters durch Anlegen einer zusätzlichen Spannung zwischen den Kathoden und dem Lochgitter Ladungsträger extrahiert werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5 oder 13-14, dadurch gekennzeichnet daß mittels zweier an der Plasmaaustrittsseite hintereinander angeordneten Lochgittter, die ein Breitsstrahlextraktionssystem bilden, durch Anlegen von zwei zusätzlichen Spannungen zwischen den Kathoden und den Lochgittern Ladungsträger extrahiert werden.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdruckabhängigkeit der Werte der elektrischen Betriebsgrößen zur Bestimmung des Gasdrucks ausgewertet wird.