DE19955671B4

DE19955671B4 - Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma

Info

Publication number: DE19955671B4
Application number: DE1999155671
Authority: DE
Inventors: Martin Dr.-Ing. Baumgärtner; Horst Mügge; Andreas Dipl.-Phys. Schulz
Original assignee: Muegge Electronic GmbH
Current assignee: Muegge GmbH
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2019-11-20
Also published as: DE19955671A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Behandlungskammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern, wobei mindestens eine flächige Antenne vorgesehen ist, die mittels einer nichtleitenden Trennscheibe von der Behandlungskammer getrennt ist, wobei die Trennscheibe zwischen der Behandlungskammer und einem die Antenne aufnehmenden Antennenraum angeordnet ist, der durch höheren Druck und/oder durch eine geeignete Gasfüllung nicht zur Plasmabildung ausgelegt ist, wobei der Antennenraum (4) mit der Antenne (7) und die Trennscheibe (8) in einer Baugruppe angeordnet sind, die mit dem Unterdruckbehälter (15, 20) gasdicht verbindbar ist und ferner Führungseinrichtungen (16) für Kühlmittel und mindestens eine Energiezuführung (5, 6) für die Antenne (7) enthält und wobei die Baugruppe aus einer Grundplatte (1), mindestens einem auf der Grundplatte gelagerten Ring (2, 3), der Wände des Antennenraumes (4) und eine Auflagefläche (10) für die Trennscheibe (8) bildet, und einem weiteren Ring (9) besteht, dessen Öffnung (14) kleiner als die Trennscheibe (8) ist und der mittels...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Behandlungskammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern.
Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasma werden unter anderem benötigt, um mit dem erzeugten Plasma verschiedene Oberflächenbearbeitungen von Werkstücken vorzunehmen, beispielsweise zum Plasma-Ätzen, zur Plasma-Deposition und zur Strukturierung von Oberflächen. Zur Bildung des Plasmas, das heißt zur Ionisation des Gases in der Behandlungskammer werden unter anderem Mikrowellen und andere elektromagnetische Wechselfelder verwendet.

Bei einer durch DE 41 36 297 A1 bekanntgewordenen Vorrichtung zur lokalen Erzeugung von Plasma mittels Mikrowellen-Anregung ist ein durch einen Flansch in einer Behandlungskammer einseitig eingeführtes Rohr aus isolierendem Material vorgesehen, das als Begrenzung zum Unterdruckbereich hin wirkt und in dem ein Innenleiter aus Metall verläuft, in den die Mikrowellen von einer Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung eingekoppelt werden. Diese bekannte Vorrichtung nutzt den Effekt aus, daß durch das Leitendwerden des ionisierten Gases an der Außenwand des Führungshohlleiters eine Art Koaxialleitung entsteht, die die Mikrowelle weiterleitet.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist es, daß mit zunehmender Entfernung von demjenigen Rand der Behandlungskammer, durch welche der Führungshohlleiter mit dem Innenleiter in die Behandlungskammer eindringen, die Energiedichte und damit die Plasmadichte abnimmt.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist bei einer Vorrichtung gemäß DE 195 03 205 C1 vorgesehen, daß ein stabförmiger Leiter innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff durch die Behandlungskammer geführt ist, wobei der Innendurchmesser des Rohres größer als der Durchmesser des Leiters ist, daß das Rohr an beiden Enden durch Wände der Behandlungskammer gehalten und gegenüber den Wänden an seiner Außenfläche abgedichtet ist und daß der Leiter an beiden Enden an Quellen zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen ist.

Ferner ist beispielsweise aus DE 196 28 949 A1 bekannt, mehrere koaxialförmig aufgebaute Plasmaerzeuger nebeneinander anzuordnen, so daß großflächige Werkstücke behandelt werden können. Auch hiermit läßt sich jedoch nicht eine entsprechend allen jeweiligen Erfordernissen über die zu behandelnde Fläche verteilte Plasmadichte erzeugen. Auch eine Anpassung an die zu behandelnde Fläche ist hierbei oft schwierig.

Durch US 5,716,451 A , US 5,580,385 A und WO 98/33362 A1 sind bereits verschiedene Vorrichtungen zur Bildung von Plasma mit flächigen Antennen bekannt geworden. Diese sind teilweise recht aufwendig bezüglich ihrer Konstruktion im Einzelnen und lassen sich nur schwer an die jeweiligen Einsatzbedingungen, beispielsweise die Form der Werkstücke, anpassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma vorzuschlagen, mit welcher eine an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Plasmadichte erzeugt werden kann, auch wenn die Werkstücke schwierig zu behandelnde Formen aufweisen. Eine weitere Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, einen modularen Aufbau der gesamten Behandlungsvorrichtung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, wobei mindestens eine flächige Antenne vorgesehen ist, die mittels einer nichtleitenden Trennscheibe von der Behandlungskammer getrennt ist, wobei die Trennscheibe zwischen der Behandlungskammer und einem die Antenne aufnehmenden Raum (Antennenraum) angeordnet ist, der durch höheren Druck und/oder durch eine geeignete Gasfüllung nicht zur Plasmabildung ausgelegt ist, wobei der Raum mit der Antenne und die Trennscheibe in einer Baugruppe angeordnet sind, die mit dem Unterdruckbehälter gasdicht verbindbar ist und ferner Führungseinrichtungen für Kühlmittel und mindestens eine Energiezuführung für die Antenne enthält und wobei die Baugruppe aus einer Grundplatte, mindestens einem auf der Grundplatte gelagerten Ring, der Wände des Antennenraumes und eine Auflagefläche für die Trennscheibe bildet, und einem weiteren Ring besteht, dessen Öffnung kleiner als die Trennscheibe ist und der mittels Dichtringen die Trennscheibe an die Auflagefläche anpreßt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß der weitere Ring Kanäle für die Zuführung von Reaktionsgas aufweist.

Die Erfindung ermöglicht Module, die an vielfältige Behandlungsaufgaben anpaßbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise als Plasmaerzeugung für eine modular aufgebaute Plasmabehandlungsvorrichtung einsetzbar, wie sie beispielsweise aus DE 197 39 894 A1 bekanntgeworden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Antenne verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise die Form eines Rechtecks oder einer Kreisscheibe. Durch die Anordnung der Antenne und der Trennscheibe ist sichergestellt, daß zwischen der Antenne und dem Ort der Plasmaerzeugung ein ausreichender mit Dielektrikum gefüllter Abstand vorhanden ist.

Die Trennscheibe besteht vorzugsweise aus Glas, Quarz oder Keramik, wobei alle Isolatoren grundsätzlich anwendbar sind, welche der bei der Plasmabildung herrschenden hohen Temperatur und chemischen Belastung standhalten.

Diese Ausgestaltung kann derart weitergebildet sein, daß die Antenne unabhängig von der Trennscheibe im Antennenraum gelagert ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Trennscheibe und die Antenne unabhängig voneinander ausgetauscht werden können, beispielsweise bei einem Verschleiß oder bei einem Wechsel der an das Werkstück anzupassenden Form der Antenne.

Die vorteilhafte Ausgestaltung kann auch derart ausgebildet sein, daß die Antenne auf der Trennscheibe aufgebracht ist.

Bei vielen Anwendungsfällen ist eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei welcher die Trennscheibe und/oder die Antenne plan sind. Bei entsprechenden Formen der Werkstücke kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung die Antenne und/oder die Trennscheibe durch eine gekrümmte Oberfläche an die Form eines zu behandelnden Werkstücks angepaßt ist.

Sofern an manchen Stellen des Werkstücks eine höhere Plasmadichte als an anderen gewünscht wird, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch derart ausgestaltet sein, daß der Abstand zwischen den einem zu behandelnden Werkstück zugewandten Oberflächen der Antenne und der Trennscheibe über die Fläche der Antenne variiert.

Je nach Erfordernissen im einzelnen kann bei der Erfindung vorgesehen sein, daß die Antenne eine oder mehrere am Rand verteilte Zuführungen aufweist.

Wie bereits erwähnt, läßt die Erfindung zahlreiche Formen für die Antenne zu. Eine vorteilhafte Ausgestaltung dazu besteht darin, daß die Antenne von einer Platte gebildet wird. Dabei kann zur Vermeidung von stehenden Wellen innerhalb der Antenne vorgesehen sein, daß die Platte Schlitze aufweist.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß die Antenne aus einem mäanderförmig ausgebildeten Leiter oder daß die Antenne aus einem Gitter besteht.

Ferner kann bei der Erfindung in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß die Antenne dreidimensional ausgebildet ist. Dadurch kann durch Spitzen, Senken und andere Formen die Plasmabildung örtlich beeinflußt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 schematisch verschiedene Formen von flächigen Antennen,
3 bis 6 weitere Ausführungsbeispiele und
7 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem mehrere erfindungsgemäße Plasmaerzeuger in einer Fläche zusammengesetzt sind.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind auf einer Grundplatte 1 zwei Ringe 2, 3 angeordnet, welche die Wände eines Antennenraumes 4 bilden. Die Grundplatte 1 und damit auch die Ringe 2, 3 können rund oder rechteckig sein oder andere geeignete Formen aufweisen. Der Ring 2 ist zur isolierten Durchführung von Zuleitungen 5, 6 zur Antenne 7 ausgebildet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sowohl Mikrowellen als auch Wechselfelder mit anderen Frequenzen, beispielsweise 50 kHz, angewendet werden.
Der Ring 3 ist zur Aufnahme einer Trennscheibe 8 ausgebildet, die zwischen einem weiteren Ring 9 und einer umlaufenden Auflagefläche 10 des Ringes 3 eingespannt ist. Dazu sind ringförmige Dichtungen 11, 12 in entsprechende Nuten eingelegt. Die ringförmigen Dichtungen 11 bestehen aus einem elastischen Werkstoff, der eine gute Dichtwirkung sicherstellt, wobei die temperaturbedingte Größenänderung der Trennscheibe 8 abgefangen wird, wozu auch die umlaufende Innenfläche 13 des Ringes 3 entsprechend groß ist. Die Öffnung 14 des weiteren Ringes 9 ist kleiner als die von der Dichtung 11 eingeschlossene Fläche, so daß das in der Behandlungskammer 15 entstehende Plasma weitgehend von. den Dichtungen 11 ferngehalten wird. An der Grenzfläche zwischen den Ringen 3 und 9 ist ein Kanal 16 für ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, vorgesehen. An der oberen und unteren Kante sind weitere Nuten 17, 18, 19 zum Einbringen weiterer Dichtungen angeordnet, wobei in die Nuten 17, 18 eingelegte Dichtungen zum Abdichten der in 1 lediglich angedeuteten Wand 20 der Behandlungskammer vorgesehen sind.
Der weitere Ring 19 ist ferner mit Kanälen 21, 22 zum Zuführen des Behandlungsgases und mit Bohrungen 23, 24 für Schrauben zur Verbindung mit dem Ring 3 versehen. Dadurch ist eine einfache Demontage des weiteren Ringes 9 möglich, während die Ringe 2, 3 untereinander und der Ring 2 mit der Grundplatte 1 in beliebiger Weise, beispielsweise durch Schweißen oder durch nicht dargestellte Schrauben, verbunden werden können.
Die 2a) bis 2h) zeigen verschiedene Antennenformen, die je nach Voraussetzungen im einzelnen, insbesondere der Form des Werkstücks und dem Behandlungsverfahren, vorteilhaft sein können. Eine langgestreckte rechteckförmige Antenne 31 gemäß 2a) ist mit jeweils einer Zuführung 32, 33 an den kurzen Seiten versehen.
Zur Vermeidung von stehenden Wellen sowie möglicherweise auch zur Gewichtsverminderung ist die ebenfalls rechteckige Antenne 34 gemäß 2b) mit länglichen Schlitzen 35 versehen.
Die Antenne 36 gemäß 2c) besteht aus einem mäanderförmig verlegten Leiter, dessen Querschnitt rechteckig oder auch rund sein kann.
Die Antenne 37 gemäß 2d) besteht aus einem Gitter aus einzelnen Stäben, die vorzugsweise verschweißt sind. Eine gelochte Platte ist ebenfalls möglich.
Die in 2e) dargestellte quadratische Antenne 38 ist mit vier Zuführungen versehen, ebenso wie die in 2f) dargestellte kreisscheibenförmige Antenne 39. Zur Verhinderung von stehenden Wellen sind bei den in den 2g) und 2h) dargestellten Antennen 40 und 41 Aussparungen vorgesehen.
Die 3 bis 7 zeigen der Übersichtlichkeit halber stark vereinfacht Ausführungsbeispiele der Erfindung nach Anspruch 1, wobei im Falle von 4 die Antenne 51 unmittelbar auf die Trennscheibe 52 aufgebracht ist. Kühlluft wird durch Kanäle 53, 54 dem Antennenraum 55 zubzw. von diesem abgeführt. Der untere Teil der Wand 56 der Behandlungskammer 57 weist Kanäle 58, 59 zum Zuführen des Behandlungsgases auf.
Bei dem Beispiel nach 5 ist die Antenne 61 plan ausgebildet, während die Trennscheibe 62 gekrümmt ist. Dadurch entsteht im mittleren Bereich der Behandlungskammer durch die an der Oberfläche der Trennscheibe 62 vorhandene größere Feldstärke eine höhere Plasmadichte, was bei einer entsprechenden Form des lediglich angedeuteten Werkstücks 63 erwünscht sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6 ist die Antenne 64 ebenfalls gekrümmt, so daß die gebogene Oberfläche 65 des Werkstücks 63 einer gleichmäßigen Plasmadichte ausgesetzt ist. 7 zeigt schematisch sechs erfindungsgemäße Vorrichtungen 66, die zu einem größeren Plasmaerzeuger zusammengesetzt sind.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Behandlungskammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern, wobei mindestens eine flächige Antenne vorgesehen ist, die mittels einer nichtleitenden Trennscheibe von der Behandlungskammer getrennt ist, wobei die Trennscheibe zwischen der Behandlungskammer und einem die Antenne aufnehmenden Antennenraum angeordnet ist, der durch höheren Druck und/oder durch eine geeignete Gasfüllung nicht zur Plasmabildung ausgelegt ist, wobei der Antennenraum (4) mit der Antenne (7) und die Trennscheibe (8) in einer Baugruppe angeordnet sind, die mit dem Unterdruckbehälter (15, 20) gasdicht verbindbar ist und ferner Führungseinrichtungen (16) für Kühlmittel und mindestens eine Energiezuführung (5, 6) für die Antenne (7) enthält und wobei die Baugruppe aus einer Grundplatte (1), mindestens einem auf der Grundplatte gelagerten Ring (2, 3), der Wände des Antennenraumes (4) und eine Auflagefläche (10) für die Trennscheibe (8) bildet, und einem weiteren Ring (9) besteht, dessen Öffnung (14) kleiner als die Trennscheibe (8) ist und der mittels Dichtringen (11, 12) die Trennscheibe (8) an die Auflagefläche (10) anpreßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Ring (9) Kanäle (21, 22) für die Zuführung von Reaktionsgas aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (7) unabhängig von der Trennscheibe im Antennenraum (4, 55) gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (51) auf der Trennscheibe (52) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe (8, 52) und/oder die Antenne (7, 51, 61) plan sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (64) und/oder die Trennscheibe (62) durch eine gekrümmte Oberfläche an die Form eines zu behandelnden Werkstücks (63) angepaßt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den einem zu behandelnden Werkstück zugewandten Oberflächen der Antenne und der Trennscheibe über die Fläche der Antenne variiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Energiezuführung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (31, 38) mehrere am Rand verteilte Zuführungen (32, 33) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (31, 34, 38 bis 41) von einer Platte gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte Schlitze (35) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (36) aus einem mäanderförmig ausgebildeten Leiter besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (37) aus einem Gitter besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne dreidimensional ausgebildet ist.