DE3708717A1 - Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung von festkoerperoberflaechen durch teilchenbeschuss - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung von festkoerperoberflaechen durch teilchenbeschussInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtragung
und Strukturierung von Festkörperoberflächen sowie
zur Herstellung von Oberflächendotierungen durch
Teilchenbeschuß.
Außerdem wird ein Verfahren zur Extraktion eines
Plasmastrahls aus einem Niederdruckplasma und eine
Vorrichtung zum Durchführen desselben angegeben.
Der möglichst großflächige Beschuß von Festkörper-
Oberflächen mit Atom- oder Molekülstrahlen ist ein
wichtiger Prozeß für die moderne Oberflächen- und
Dünnschicht-Technologie. Dabei ist der Bereich von
Teilchenenergien zwischen einigen 100 Elektronenvolt
bis zu einigen Kilo-Elektronenvolt von besonderer
Bedeutung, da in diesem Fall die ablaufenden
Wechselwirkungsprozesse auf einige wenige bis wenige
10 Atomlagen an der Oberfläche begrenzt bleiben.
Die Anwendungen solcher Teilchenstrahlquellen lassen
sich generell in zwei Gruppen unterteilen:
- 1. Durch den Teilchenbeschuß werden aus der Oberfläche des beschossenen Festkörpers Atome und Moleküle des jeweiligen Materials ausgelöst (Festkörper- Zerstäubung durch Ionenbeschuß oder "Sputtering"). Die herausgeschlagenen Oberflächenteilchen fliegen durch das in der entsprechenden Beschußapparatur erzeugte Vakuum und können auf entsprechenden Trägern (Substraten) aufgefangen werden, wo sie dünne Schichten oder Dünnschichtssysteme aus dem Material des zerstäubten Festkörpers aufbauen. In entsprechenden Anordnungen können gleichzeitig mehrere Festkörper-Targets durch den Beschluß mit Atomen oder Molekülen zerstäubt werden. Weiter kann dieser Prozeß unter Anwesenheit bestimmter Gase oder Gasgemische in der entsprechenden Vakuumkammer erfolgen. Damit lassen sich in sehr flexibler Weise Schichten oder Schichtsysteme von nahezu beliebiger chemischer Zusammensetzung erzeugen.
Der durch den Teilchenbeschuß hervorgerufene Abtrag
der beschossenen Oberfläche selbst ist ebenfalls von
großer technologischer Bedeutung. Auf diese Weise
lassen sich beispielsweise Oberflächenkontaminations-
Schichten oder Oberflächenverunreinigungen entfernen,
d. h. Substrate für den nachfolgenden
Beschichtungsprozeß atomar reinigen. Besonders wichtig
für die moderne Mikroelektronik, aber auch für andere
Gebiete wie z. B. die integrierte Optik, ist die
gezielte Strukturierung von Oberflächen durch
großflächigen Teilchenbeschuß. Dazu werden durch
einen fotografischen Prozeß oder mit anderen Mitteln
auf eine Festkörper-Oberfläche Strukturen aus einem
Material aufgebracht, das gegenüber dem
Teilchenbeschuß erhöhte Resistenz aufweist. Unter
Teilchenbeschuß werden dann die nicht abgedeckten
Bereiche der jeweiligen Oberfläche atomar abgetragen
und damit die Oberfläche in die Tiefe strukturiert.
Die charakteristischen Abmessungen solcher Strukturen
können in der Breite bis herab in den Submikrometer-
Bereich variiert werden, die Tiefe je nach
Beschußdauer vom Nanometer- bis in den Mikrometer-
Bereich. Dieser als Sputterätzen oder Ionenstrahlätzen
(Ion Beam Etching, IBE) bezeichnete Prozeß zeichnet
sich dadurch aus, daß er ohne chemisch aggressive
Flüssigkeiten, d. h. sehr umweltfreundlich arbeitet
und wegen der Anisotropie des benutzten Abtragungs-
Prozesses sehr steile Flanken der erzeugten Strukturen
liefert. Benutzt man für den Beschuß chemisch
reaktive Teilchen oder führt den Beschuß unter
Anwesenheit reaktiver Gase durch, so kann die
Oberflächenstrukturierung durch beschußinduzierte
chemische Reaktionen zusätzlich verstärkt werden
(reaktives Sputterätzen oder Reactive Ion Beam
Etching, RIBE).
- 2. Der zweite Anwendungsbereich des großflächigen Teilchenbeschusses von Oberflächen beruht darauf, daß Strahlteilchen in die Oberfläche eingebaut werden und dort häufig eine chemische Reaktion verursachen, wobei einmal die Tiefe der Reaktionszone durch die Eindringtiefe der energiereichen Teilchen gegeben ist und die Reaktionsgeschwindigkeit durch die von den Teilchen mitgebrachte Energie in vorteilhafter Weise erhöht wird. Benutzt man beispielsweise Teilchenstrahlen aus Kohlenstoffatomen oder Kohlenwasserstoffmolekülen, so lassen sich an metallischen Oberflächen dünne Karbidschichten bilden. Analog entstehen bei der Verwendung von Teilchenstrahlen aus Sauerstoff- oder Stickstoffteilchen dünne "intrinsische", d. h. fest mit dem Material verwachsene Oberflächenschichten aus Oxiden oder Nitriden des jeweils beschossenen Materials. Solche Oberflächenschichten weisen häufig sehr günstige mechanische Eigenschaften auf und wirken daher beispielsweise stark verschleißmindernd gegenüber Reibung oder erhöhen die Standzeit von spanabhebenden Bearbeitungswerkzeugen. Weiterhin können solche Schichten durch die erfolgte Absättigung freier chemischer Oberflächenvalenzen passivierend gegenüber dem Angriff korrosiver Gase oder Flüssigkeiten wirken. Benutzt man großflächige Strahlen aus Metallatomen oder Metallmolekülen, so läßt sich durch den Einbau der Strahlteilchen an ursprünglich elektrisch isolierenden Oberflächen eine dünne leitfähige Oberflächenschicht beispielsweise an Keramikbauteilen erzeugen. Ein wichtiges Beispiel für den Einsatz von großflächigen Strahlen aus Metallatomen oder -molekülen in der Dünnschichttechnik ist die Oberflächenmetallisierung isolierender oder halbleitender Substrate. Dies stellt einen wichtigen Prozeßschritt bei der Erzeugung integrierter mikroelektronischer Schaltungen und Bauteile dar.
Für diese beispielhaft genannten Anwendungen werden
bekanntermaßen vorwiegend Ionenstrahlen geeigneter
Konfiguration eingesetzt, da sich elektrisch geladene
Teilchen durch elektrische Felder auf einfache Weise
beschleunigen lassen. Von erheblichem Nachteil hierbei
ist, daß die von den Ionen mitgebrachte elektrische
Ladung über den jeweils beschossenen Festkörper abgeführt
werden muß. Dies ist nur bei Metallen oder entsprechend
gut leitenden Halbleitermaterialien gewährleistet.
Bei schlecht leitenden Materialien oder bei Isolatoren
kommt es sehr rasch zu einer Aufladung der beschossenen
Oberfläche. Durch das dann entstehende elektrische
Gegenfeld werden die Beschußionen abgebremst und der
erwünschte Oberflächenbeschuß kommt zum Erliegen. Weist
die Oberfläche infolge aufgebrachter Masken nichtleitende
Bereiche auf, so kommt es durch die dort entstehenden
Aufladungen zu elektrischen Störfeldern, die den
erwähnten Strukturierungsvorgang erheblich beeinträchtigen
können. Zur Umgebung dieser sehr störenden Effekte
muß man durch geeignet angeordnete Elektronenquellen
dem beschossenen Werkstück zusätzlich Elektronen anbieten.
Dies bedeutet eine mitunter erhebliche technische
Komplikation, die sich insbesondere bei großflächigem
Ionenbeschuß nicht in befriedigender Weise beheben
läßt.
Großflächige Ionenstrahlquellen lassen sich bisher im
übrigen nur in Form eines Bündels aus zahlreichen
Einzelstrahlen realisieren. Damit ergeben sich lateral
nicht gleichmäßige Stromdichteverteilungen über den
gesamten Bündelbereich, was die Einsatzmöglichkeiten
von solchen großflächigen Ionenstrahlquellen ebenfalls
erheblich begrenzt. Zur Erzielung einer ausreichenden
Homogenität des Ionenabtrags ist es häufig erforderlich,
das beschossene Werkstück in technisch komplizierter
Weise quer zur Richtung des Beschußstrahlbündels
periodisch zu bewegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Abtragung und Strukturierung von Festkörperoberflächen
sowie zur Herstellung von Oberflächendotierungen durch
Teilchenbeschuß zu schaffen, mit dem die aufgezeigten
Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß zum Beschuß ein Plasmastrahl verwendet wird.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Extraktion eines solchen
Plasmastrahls aus einem Niederdruckplasma besteht darin,
daß ein Niederdruckplasma mittels elektrischer und
magnetischer Felder erzeugt wird und Plasmaionen auf
eine in Kontakt mit dem Plasma stehende, als feines
Gitter ausgebildete Elektrode beschleunigt werden,
die gegen das Plasma Hochfrequenzspannung führt und
zwischen der und dem Plasma sich eine positive Plasmaionen
beschleunigende Gleichspannung einstellt, deren Größe
durch die Amplitude der zwischen dem Plasma und der
als feines Gitter ausgebildeten Elektrode abfallenden
Hochfrequenzspannung bestimmt wird, daß der extrahierte
Ionenstrom durch einen im Takte der Hochfrequenz
fließenden Elektronenstrom gleicher Höhe zur Kompensation
des Ionenstroms überlagert wird und daß das
Niederdruckplasma und der extrahierte Plasmastrahl
durch Gleichmagnetfelder geeigneter Größe und
Konfiguration geformt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des
angegebenen Verfahrens kann dadurch verwirklicht werden,
daß ein Plasmagefäß mit zwei großflächigen Elektroden
vorgesehen ist, die über ein Anpassungsnetzwerk mit
einem Hochfrequenzgenerator verbunden sind und daß
die Flächen der Elektronen so gewählt sind, daß nahezu
die gesamte Hochfrequenzspannung an einer als feines
Gitter ausgebildeten Elektrode abfällt.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist
vorgesehen, daß eine der Elektroden topfförmig
ausgebildet ist und in das Innere des Plasmagefäßes
ragend angeordnet ist.
Eine andere Ausbildung der Erfindung besteht darin,
daß eine der Elektroden topfförmig ausgebildet und
auf das Plasmagefäß aufgesetzt ist.
Eine besondere Ausbildung der Erfindung ist darin zu
sehen, daß eine der Elektroden des Plasmagefäß außen
umfassend angeordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, wenn die als
feines Gitter ausgebildete Elektrode auf einer selbsttätig
wirkenden Nachspann-Vorrichtung befestigt ist.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Stege der
als feines Gitter ausgebildeten Elektrode in Isolator-
Material eingebettet sind.
Des weiteren ist bei der Vorrichtung nach der Erfindung
zu beachten, daß die Öffnungen der als feines Gitter
ausgebildeten Elektrode kleiner als die Dicke der
Raumladungsschicht zwischen dieser Elektrode und dem
Plasma sind.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß bei Verwendung eines Plasmastrahls
die eingangs geschilderten Nachteile nicht zu verzeichnen
sind. Dieser Plasmastrahl besteht zum einen aus der
zum Teilchenbeschuß benötigten positiven Ionenkomponente,
führt jedoch in gleicher Zahl bzw. Dichte Elektronen
mit sich. Ein solcher Plasmastrahl ist daher als Ganzes
gesehen elektrisch neutral. Beim Beschuß schlecht
leitender oder elektrisch isolierender Oberflächen
kommt es daher zu keiner den Arbeitsgang störenden
elektrischen Aufladung. Auch Leitfähigkeitsänderungen
während der Beschußzeit, die etwa durch den Aufbau
elektrisch isolierender Oberflächen auf einem ursprünglich
elektrisch leitenden Werkstück verursacht werden, stören
die Oberflächenbehandlung mit einem solchen Plasmastrahl
nicht. Ebenso wirkt es nicht störend, wenn bestimmte
Oberflächenbereiche etwa durch das Aufbringen isolierender
Masken zur Oberflächenstrukturierung durch Teilchenbeschuß
elektrisch nicht leitend sind, d. h. die elektrische
Leitfähigkeit an der zu behandelnden Oberfläche örtlich
wechselt. Aufgrund der "Quasi-Neutralität" des aus
positiven Ionen und negativen Elektronen bestehenden
Plasmastrahls sind zusätzliche Elektronenquellen oder
andere Maßnahmen wie im Falle der Verwendung von reinen
Ionenstrahlen nicht mehr erforderlich.
Ein erfindungsgemäß erzeugter Plasmastrahl weist
gegenüber den bereits erwähnten großflächigen Ionenstrahl-
Bündelquellen einen weiteren entscheidenden Vorteil
auf: Aufgrund der speziellen Erzeugungsart ist die
Stromdichteverteilung in einem solchen Plasmastrahl
quer zur Strahlrichtung völlig homogen und weist
keinerlei Modulationsstruktur auf. Dies ermöglicht
einen völlig homogenen großflächigen Abtrag von
Werkstoffoberflächen oder eine Oberflächenstrukturierung
unter an allen Orten des beschossenen Bereiches stets
identischen Bedingungen.
Anhand der Zeichnungen, die auch Ausführungsbeispiele
für Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens
enthalten, wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des
Arbeitsprinzips der Plasmastrahlquelle,
Fig. 2 schematisch den Aufbau der Strahlquelle,
Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 5 verschiedene Ausführungen für die Elektroden,
Fig. 6 schematisch eine Anordnung zum Beschuß von
Werkstücken,
Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 9 denkbare Ausführungen für die
Extraktionselektrode,
Fig. 10 eine Nachspannvorrichtung für die
Extraktionselektrode und
Fig. 11 eine besondere Ausführung für die
Extraktionselektrode, ausschnittweise, in
vergrößertem Maßstab.
Zur Erzeugung des Plasmastrahls wird ein physikalischer
Effekt benutzt, der auftritt, wenn eine Hochfrequenz
führende Elektrode in Kontakt mit einem irgendwie
erzeugten Niederdruck-Plasma gebracht wird. Betrachtet
man den zeitlichen Verlauf (Fig. 1) der auf eine solche
Elektrode aus dem Plasma fließenden Ströme aus elektrisch
geladenen Teilchen, so können während einer Periode
der Hochfrequenzspannung zwischen dem Plasma und dieser
Elektrode positive Plasmaionen auf diese Elektrode
fließen, solange sie negativ gegen das Plasma ist.
Andererseits fließen Plasmaelektronen auf diese Elektrode,
sofern sie auf positivem elektrischen Potential gegenüber
dem Plasma ist. Darüber hinaus erreichen Plasmaelektronen
aufgrund ihrer mit einer kinetischen Energie verknüpften
relativ hohen Temperatur die Elektrode auch dann, wenn
sie nicht zu stark negativ gegen das Plasma ist; es
fließt dann ein Elektronenanlaufstrom.
Wäre nun eine solche hochfrequenzführende Elektrode
jeweils während einer halben Hochfrequenzperiode positiv
oder negativ gegenüber dem Plasma, so würden pro
Periodendauer aufgrund ihrer höheren Beweglichkeit und
Geschwindigkeit ungleich mehr Plasmaelektronen auf die
Elektrode fließen als umgekehrt positive Plasmaionen.
Dies ist jedoch aufgrund der Quasi-Neutralitätsbedingung
für ein elektrisches Gasentladungsplasma nicht möglich,
die besagt, daß in einem Plasma pro Volumeneinheit
stets gleich viele positive und negative Ladungen
vorhanden sein müssen. Diese Bedingung ist im allgemeinen
durch den Plasma-Erzeugungsprozeß selbst vorgegeben.
Generell gilt jedoch, daß es zum Aufbau einer elektrischen
Raumladung kommen würde, wenn der Verlust einer bestimmten
Ladungsträger-Komponente überwiegen würde. Das Vorzeichen
der sich aufbauenden Raumladung wäre dem der das Plasma
verlassenden Ladungsträger-Komponente entgegengesetzt
und würde so den Abfluß dieser Komponente verhindern.
Als Folge dieses Selbststeuerungsverhaltens legt sich
ein elektrisches Gasentladungsplasma gegen eine
hochfrequenzführende Elektrode von selbst auf ein
ausreichend hohes positives Potential. Durch diesen
"selfbiasing"-Effekt wird bewirkt, daß während der
ganzen Periodendauer der Hochfrequenzspannung Ionen
auf die Elektrode fließen können und daß nur während
eines kurzen Zeitintervalls innerhalb einer Hochfrequenz-
Periode ein entsprechender Elektronenpuls auf die
Elektrode fließt, nämlich dann, wenn innerhalb einer
Hochfrequenz-Periode Plasma und Elektrode sich
potentialmäßig kurzzeitig nähern. Auf diese Weise wird
erreicht, daß sich während einer Hochfrequenz-Periode
die Zahl der das Plasma verlassenden positiven Ionen
und Elektronen genau kompensiert, d. h. es fließt auf
eine solche hochfrequenzführende Elektrode kein
Gleichstrom, sondern lediglich ein elektrischer
Verschiebungsstrom.
Die hier skizzierten Verhältnisse sind in Fig. 1
dargestellt. Daraus wird ersichtlich, daß sich zur
Aufrechterhaltung der Quasi-Neutralität des Plasmas
zwischen dem Plasma und der hochfrequenzführenden
Elektrode eine Gleichspannung U Pl-E einstellt, die
in guter Näherung der Amplitude der Hochfrequenz-
Spannung entspricht. U Pl-E ist in der Regel um eine
Teilspannung der Größenordnung kT e /e O (k Boltzmann-
Konstante, T e Elektronentemperatur, e O Elementarladung)
größer als die Hochfrequenz-Amplitude U O , da die
Elektronen aufgrund ihrer relativ hohen Eigenenergie
gegen eine zusätzliche kleine Bremsspannung der
Größenordnung kT e /e O anlaufen können.
Mit dem beschriebenen Verhalten ist das Prinzip der
Plasmastrahlquelle beschrieben. Die hochfrequenzführende
Elektrode wird als geeignet konfiguriertes Drahtnetz
oder in Form parallel verlaufender Drähte ausgeführt
und durch eine geeignete hochfrequenztechnische Anordnung
wird dafür gesorgt, daß sich zwischen einem Niederdruck-
Plasma und dieser "Extraktionselektrode" unter Ausnutzung
des beschriebenen Effektes eine ionenbeschleunigende
Potentialdifferenz ausbildet, die aus der Überlagerung
einer Hochfrequenz-Spannung geeigneter Frequenz f und
Amplitude U O sowie der sich ausbildenden Gleichspannung
der Höhe U O + kT e /e O besteht.
Zwischen dem Plasma und der Extraktionselektrode bildet
sich dann die aus der physikalischen Fachliteratur
bekannte Schottky-Langmuische Raumladungsschicht aus,
deren Dicke d der Beziehung
d = (4ε/9j i )½ (2e o /M i )¼ U ¾ (1)
genügt. Dabei bedeutet im vorliegenden Fall
j i die extrahierte Ionenstromdichte,
U den elektrischen Spannungsabfall in der Raumladungsschicht,
e O die Dielektrizitätskonstante des Vakuums,
M I die Masse der extrahierten Ionen.
U den elektrischen Spannungsabfall in der Raumladungsschicht,
e O die Dielektrizitätskonstante des Vakuums,
M I die Masse der extrahierten Ionen.
Während einer Hochfrequenz-Periode variiert die Spannung
U um den Wert der "selfbasing"-Spannung U O + kT e /e O
nach oben und um den Betrag U O der Hochfrequenz-Amplitude
nach unten.
Positive Plasmaionen werden vom Plasmapotential aus
durch den Potentialabfall in der Raumladungsschicht
vor der Extraktionselektrode auf diese zu beschleunigt
und verlassen dann durch diese hindurch den Plasmaraum
in Richtung auf die zu beschießende Festkörper-
Oberfläche. Da, wie bereits beschrieben, dem über die
ganze Periodendauer hinweg fließenden Ionenstrom pro
Hochfrequenz-Periode jeweils ein Elektronenpuls so
überlagert wird, daß der aus dem Plasma fließende
Gesamtstrom unter Berücksichtigung der Ladungsvorzeichen
der beiden Teilchenarten gerade null wird, entsteht
auf diese Weise ein Plasmastrahl.
Wählt man die Frequenz f der benutzten Hochfrequenz-
Spannung so hoch, daß die Ionen auf ihrem Weg durch
die Raumladungsschicht, deren Dicke d ebenfalls mit
der Frequenz f oszilliert, hinreichend viele Hochfrequenz-
Perioden erleben, so läßt sich durch eine einfache
Rechnung zeigen, daß die Ionenenergie im extrahierten
Plasmastrahl in guter Näherung durch das sich einstellende
"selfbasing"-Potential bestimmt wird. Die kinetische
Energie der Ionenkomponente im Plasmastrahl ist daher
in guter Näherung bis auf Abweichungen in der
Größenordnung kT e durch die Amplitude der zwischen
Extraktionselektrode und Plasma abfallenden Hochfrequenz-
Spannung gegeben. Bei einfach positiv geladenen Ionen
beträgt demnach die kinetische Ionenenergie E i ≅e O U O .
Das Gasentladungsplasma, aus dem der Plasmastrahl auf
die beschriebene Weise extrahiert wird, kann auf
beliebige Art erzeugt werden. Besonders naheliegend
ist es, das Plasma mittels Hochfrequenz-Energie zu
erzeugen, d. h. den für die Plasmastrahl-Extraktion
erforderlichen Hochfrequenzgenerator gleichzeitig zur
Plasmaanregung zu benutzen.
Für Plasmastrahlquellen, bei denen die Extraktion eines
Plasmastrahls nach dem hier beschriebenen Prinzip
erfolgt, ist die Verwendung einer kapazitiven Anordnung
zur Plasmaerzeugung besonders vorteilhaft. Eine
entsprechende Anordnung wird für die hier beschriebene
Plasmastrahlquelle benutzt.
Der prinzipielle Aufbau der Plasmastrahlquelle ist
in Fig. 2 dargestellt. Zwischen zwei Elektroden 1,
2 mit den Flächen A 1 und A 2 wird ein elektrisches
Hochfrequenzfeld erzeugt, mit dessen Hilfe ein Gas,
das sich in einem Plasmagefäß 6 unter vermindertem
Druck zwischen den beiden Elektroden befindet, teilweise
ionisiert wird. Dazu wird über ein geeignetes
Anpassungsnetzwerk 3 aus Induktivitäten, Kapazitäten
und gegebenenfalls Ohmschen Widerständen eine
Hochfrequenz-Spannungsquelle 4 in Form eines
Hochfrequenz-Generators an die beiden Elektroden 1,
2 angeschlossen. Die beiden Elektroden 1, 2
dieser kapazitiven Anordnung stellen im obigen Sinne
hochfrequenzführende Elektroden gegen das erzeugte
Niederdruckplasma 7 dar. Da, wie oben beschrieben,
auf solchen Elektroden nur ein Verschiebungsstrom fließt,
ist es unerheblich, ob die beiden metallischen Elektroden
1, 2 in unmittelbarem Kontakt mit dem Plasma stehen
oder etwa über eine isolierende Gefäßwand, durch die
der Verschiebungsstrom hindurch fließt, vom Inneren
des Plasmaraumes getrennt sind. Weiter können geeignete
Kapazitäten 5 in den Hochfrequenzkreis geschaltet werden.
Wesentlich für die Plasmastrahlquelle ist nun, daß
eine der beiden Elektroden (1) zur Plasmaerzeugung
ganz oder zum Teil in Form eines Extraktionsgitters
ausgeführt wird, durch das nach dem oben beschriebenen
Prinzip ein Plasmastrahl in eine anschließende
Beschußkammer extrahiert wird. Diese Extraktionselektrode
1 steht daher immer in Kontakt mit dem erzeugten
Niederdruckplasma. Dagegen kann die zweite Ankoppel-
Elektrode 2, wie in Fig. 3, 4 und 5 dargestellt, sowohl
innerhalb des Plasmagefäßes 6 sitzen oder einen Teil
der Wand dieses Gefäßes bilden oder außerhalb des
Plasmagefäßes 6 auf dessen Wandung aufliegen (Fig. 5).
Nach dem oben beschriebenen Prinzip wird die Ionen-
Komponente des erzeugten Plasmastrahles 8 durch die
sich selbständig einstellende Gleichspannung zwischen
dem Plasma und einer hochfrequenzführenden Elektrode,
die in Form des Extraktionsgitters 1 ausgeführt ist,
beschleunigt. Die kinetische Energie dieser Ionen-
Komponente ist in guter Näherung durch die Amplitude
der Hochfrequenz-Spannung zwischen dem Extraktions-
Gitter 1 und dem Plasma bestimmt.
Für die entwickelte Plasmastrahlquelle ist nun weiter
von entscheidender Bedeutung, daß erreicht werden kann,
daß nahezu die ganze zwischen die beiden plasmaerzeugenden
Elektroden angelegte Hochfrequenz-Spannung an einem
der beiden Übergangsbereiche zwischen dem Plasma und
den Elektroden abfällt. Als diese Elektrode wird hier
das Extraktionsgitter 1 gewählt.
Gemäß diesem Prinzip gilt für die hochfrequenten
Teilspannungen U 1 und U 2, die jeweils zwischen einer
der plasmaerzeugenden Elektroden 1, 2 und dem Plasma
7 abfallen, die Beziehung
U 1/U 2 = (A 2/A 1)4. (2)
Anhand dieser Gleichung (2) wird deutlich, daß nahezu
die gesamte zwischen den beiden Elektroden liegende
Hochfrequenz-Spannung zwischen dem Plasma 7 und der
Extraktionselektrode 1 abfällt, wenn nur die von der
Extraktionselektrode 1 überdeckte Fläche A 1 hinreichend
klein ist gegen die Fläche A 2 der anderen Elektrode
2 ("Gegenelektrode"). Bereits bei einem in der Praxis
leicht realisierbaren Flächenverhältnis A 1/A 2 von
etwa 1/3 fällt an der Gegenelektrode 2 nur noch etwa
1% der gesamten Hochfrequenzspannung ab. Dies ist
für den praktischen Betrieb einer solchen Plasmastrahl-
Quelle sehr vorteilhaft: Da sich auch zwischen der
hochfrequenzführenden Gegenelektrode 2 und dem Plasma
7 eine Gleichspannung von der Größenordnung der
Hochfrequenz-Amplitude U O , 2 der dort abfallenden
Hochfrequenz-Spannung U 2 einstellt, wird wegen der
Kleinheit von U O, 2 eine Zerstäubung des Materials der
Gegenelektrode 2 durch die dort auftreffenden Ionen
völlig unterbunden. Im anderen Falle würden sich dann,
wenn metallische Teile der Gegenelektrode 2 dem Plasma
7 ausgesetzt sind, an den Innenwänden des Plasmagefäßes
6 sehr rasch störende Metallbeläge aus zerstäubtem
Material bilden.
Gleichung (2) gilt, wenn die Plasmadichte n vor den
beiden Elektroden 1, 2 gleich groß ist. Ist dies
beispielsweise an einer topfförmigen Gegenelektrode 2,
in die das Plasma 7 hineinbrennen muß, nicht der Fall,
so vergrößert sich dort entsprechend Gleichung (1)
die Raumladungsschichtdicke d. Dies führt zu einer
Verkleinerung der Schichtkapazität C prop. 1/d und
damit zu einer Vergrößerung des hochfrequenten
Spannungsabfalls U 2 an der Gegenelektrode. Da gilt
U 2 prop. 1/C 2 wird U 2 unter Umständen ebenfalls
vergrößert, wenn im Falle einer von außen auf der
Gefäßwand aufliegenden Gegenelektrode 2 (Fig. 5) die
Gesamtkapazität C 2 zwischen dem Plasma 7 und der
Gegenelektrode 2 durch die Hintereinanderschaltung
der Schichtkapazität sowie der durch die Gefäßwand
bestimmten zusätzlichen Kapazität verkleinert und damit
U 2 vergrößert wird. Solche und ähnliche Einflüsse lassen
sich jedoch durch eine weitere Vergrößerung des
Flächenverhältnisses A 2/A 1 auf einfache und sichere
Weise korrigieren.
Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Hochfrequenzkreis
kann an einer beliebigen Stelle geerdet werden. In
vorteilhafter Weise wählt man erfindungsgemäß hierfür
das Extraktionsgitter 1, das zu diesem Zweck massiv
mit Erde verbunden wird. Auf diese Weise tritt der
Plasmastrahl 8 mit der durch die Hochfrequenz-Amplitude
U O , 1 an der Extraktionselektrode 1 bestimmten kinetischen
Energie der Ionenkomponente auf Erdpotential in die
Beschußkammer ein. Alle Wände der Beschußkammer, von
denen die Extraktionselektrode E einen Teil bildet,
sowie alle übrigen Einbauten, wie etwa zu bearbeitende
Werkstücke, liegen dann in vorteilhafter Weise ebenfalls
auf Erdpotential.
Das Plasma 7 selbst liegt dann wegen des sehr geringen
Spannungsabfalls an der Gegenelektrode 2 stets auf dem
Potential dieser Elektrode und folgt damit auch
potentialmäßig der Variation der Hochfrequenzspannung
zwischen der Gegenelektrode 2 und der geerdeten
Extraktionselektrode 1.
Die Form des Plasmagefäßes 6 ist im Prinzip beliebig.
In vorteilhafter Weise wird es jedoch als ein aus Glas
oder Keramik bestehendes Rohrstück ausgeführt, dessen
Querschnittsform der jeweils gewünschten Querschnittsform
des erzeugten Plasmastrahls angepaßt werden kann. Die
beiden Elektroden 1, 2 werden dann in vorteilhafter Weise
an den beiden Stirnflächen eines solchen Rohrstückes
angeordnet.
Zur Verbesserung der Quelleneigenschaften ist es
weiterhin vorteilhaft, dem Plasmagefäß 6 geeignet
geformte axiale Gleichmagnetfelder zu überlagern, in
dem es von außen durch einen Satz von Magnetfeldspulen
9 umgeben wird, in denen das Plasmagefäß 6 konzentrisch
angeordnet ist (Fig. 6). In den Bereichen, in denen
die Magnetfeldlinien parallel zu den Wänden des
Plasmagefäßes 6 verlaufen, ist die Diffusionsbewegung
von Plasmateilchen zu den Wänden eingeschränkt, wodurch
die sogenannten Wandverluste stark reduziert werden
können. Dies führt zu einer Erhöhung der Plasmadichte
und damit zu einer Erhöhung der Ionen- und Elektronen-
Stromdichte im extrahierten Plasmastrahl 8. Von
Wichtigkeit ist weiterhin, daß sich durch eine
geeignete Formgebung des Magnetfeldes am Ort der
Extraktionselektrode 1 der Plasmastrahl beim Austritt
in die Beschußkammer 10 in seiner Gestalt durch weitere
Magnetfeldspulen 11 verändert läßt. Damit kann er
beispielsweise bezüglich seines Querschnittes
komprimiert werden oder erforderlichenfalls hinter
dem Extraktionssystem aufgeweitet oder auch seitlich
abgelenkt werden. Größe, Richtung und Form der dem
Plasmagefäß überlagerten Magnetfelder können durch
die geometrische Anordnung der magnetfelderzeugenden
Spulen sowie durch geeignete Wahl der Größe und der
Richtung der jeweiligen Spulenströme in vielfältiger
Weise variiert und geeignet gewählt werden. In Fig. 6
ist mit 16 der Arbeitsgaseinlaß und mit 17 das
Werkstück-Einführungssystem bezeichnet. 18 sind in
der Beschußkammer 10 zu bearbeitende Werkstücke. Mit
19 ist der Abpumpstutzen bezeichnet.
Wie bereits ausgeführt, wird die Extraktionselektrode 1
in vorteilhafter Weise geerdet. Sie kann daher direkt
in eine entsprechende Öffnung in der ebenfalls geerdeten
Trennwand zwischen Plasmagefäß 6 und Beschußkammer 10
eingelegt oder dort befestigt werden. Die Extraktions-
Elektrode 1 soll möglichst hohe Durchlässigkeit für
die extrahierten Plasmateilchen aufweisen. Sie wird
daher in vorteilhafter Weise in Form eines feinen Gitters
bzw. Drahtnetzes mit beliebiger Maschenstruktur
ausgeführt. Bedingung hierbei ist lediglich, daß die
charakteristischen Abmessungen der Gitteröffnungen
kleiner sind als die Dicke der Raumladungsschicht
zwischen der Extraktionselektrode 1 und dem Plasma 7.
Einige geeignete Gitterformen für die Extraktions-
Elektrode sind in Fig. 7, 8 und 9 beispielhaft
dargestellt.
Während des Betriebes der Plasmastrahlquelle können
sich durch thermische Belastung die Gitterdrähte der
Extraktionselektrode 1 verformen. Um stets eine gute
Ebenheit der Fläche der Elektrode 1 aufrechtzuerhalten
und eine nachteilige Beeinflussung des Plasmastrahls 8
durch solche Effekte zu vermeiden, wird die
Gitterhalterung der Extraktionselektrode 1 in
vorteilhafter Weise mit einer Nachspannvorrichtung
20 versehen. Eine mögliche Ausführungsform ist in
Fig. 10 gegeben. Der Gitterdraht 12 läuft über einen
abgerundeten Wulst 13 durch Bohrungen 14 und bleibt
bei Längenänderungen durch die Wirkung der Federn 15
stets gespannt.
Die Gegenelektrode 2 muß lediglich die Bedingung
erfüllen, daß ihre dem Plasma 7 zugewandte Fläche ein
Mehrfaches der Fläche der gitterförmigen Extraktions-
Elektrode 1 sein muß. Sie kann dazu beispielsweise
in Form eines Metalltopfes mit einer dem Plasma
zugewandten Öffnung ausgeführt werden (Fig. 4). Besonders
vorteilhaft ist es, einen Teil der Gegenelektrode 2 in
Form eines Bestäubungsschutzes auszuführen, der innerhalb
des Plasmagefäßes 6 dicht über den Gefäßwänden angeordnet
ist (Fig. 3). Die Verwendung eines solchen Bestäubungs-
Schutzes ist im Hinblick auf eine längere Betriebszeit
der Plasmastrahlquelle nützlich, da gegebenenfalls
auch die metallischen Stege des Extraktionssystems
durch die dort auftreffenden energiereichen Ionen des
Plasmastrahles zerstäubt werden. Das zerstäubte Material
kann sich ohne einen geeignet ausgeformten
Zerstäubungsschutz auf den Innenwänden des Plasmagefäßes
niederschlagen und dort eine störenden Gleichstrom-
oder Hochfrequenzleitfähigkeit zwischen den beiden
Elektroden 1 und 2 verursachen. Ein solcher
Bestäubungsschutz besteht im einfachsten Fall aus einer
Reihe untereinander sitzender geschlossener Metallringe
(oder geeignet geformter Metallbänder), die etwa im
Abstand von einem bis wenigen Millimetern vor der
Innenwand des Plasmagefäßes 6 verlaufen und durch
Schattenwirkung die Ausbildung geschlossener metallischer
Beläge aus sonst an der Wand auftreffenden zerstäubten
Teilchen verhindern. Wie bereits ausgeführt, kann die
Gegenelektrode 2 jedoch auch völlig außerhalb des
Plasmagefäßes 6 angeordnet sein (Fig. 5).
Wie bereits erläutert, fließen über die beiden Elektroden
der hier beschriebenen kapazitiven Anordnungen zur
Plasmaerzeugung lediglich dielektrische
Verschiebungsströme. Es ist daher nicht erforderlich,
daß irgendwelche metallischen, d. h. elektrisch leitenden
Teile der Extraktions- oder der Gegenelektrode 1, 2 in
direktem Kontakt mit dem Plasma 7 stehen. Beispielsweise
können die Stege der Extraktionselektrode in ein Isolator-
Material, z. B. in Quarz, eingebettet werden (Fig. 11).
Da auch die Gegenelektrode 2 außerhalb des Plasmagefäßes
6 sitzen kann (Fig. 5), wird es auf diese Weise möglich,
das Innere des Plasmagefäßes 6 völlig metallfrei und
damit resistent gegen chemisch aggressive Medien
auszuführen. Damit lassen sich als Plasmagase auch
chemisch aggressive Gase benutzen, wie sie etwa für
das bereits obenerwähnte reaktive Ionenstrahlätzen
RIBE für bestimmte Anwendungszwecke von großer Bedeutung
sind. Führt man beispielsweise das Plasmagefäß 6 und
den Überzug des Extraktionsgitters 1 völlig in Quarz
aus, so wird auf diese Weise die Erzeugung von
Plasmastrahlen 8 aus hochreaktiven Gasen möglich, ohne
daß es zu irgendeiner Zerstörung der Plasmastrahlquelle
kommt.
Aus der vorangehenden Darstellung des Prinzips der
Plasmastrahlquelle sowie anhand der mit einem Prototyp
erzielten charakteristischen Meßwerte lassen sich
folgende Angaben zur praktischen Auslegung solcher
Plasmastrahlquellen machen:
Die Querschnittsform und die Querschnittsgröße der nach
den verschiedenen Verfahren erzeugten Plasmastrahlen
unterliegen prinzipiell keinen Beschränkungen.
Die Frequenz f der benutzten Hochfrequenzspannung muß so
gewählt werden, daß die Zeit 1/f, d. h. die Dauer T einer
Hochfrequenzperiode, sehr klein gegen die Laufzeit t ist,
die aus dem Plasma beschleunigten Ionen zum Durchlaufen
der mittleren Raumladungsschichtdicke = (U O, E )
zwischen dem Plasma und der Extraktionsebene benötigen.
Die für die Beschleunigung der Ionenkomponente des
Plasmastrahls bestimmende Amplitude U O , 1 stimmt bei
geeigneter Wahl des Flächenverhältnisses der Gegenelektrode
2 und der Extraktionselektrode 1 mit der Amplitude U O
der zwischen den beiden Elektroden liegenden Hochfrequenz-
Gesamtspannung überein. Die Ionenenergie im Plasmastrahl
8 kann daher durch Variation der Amplitude der aus
einem entsprechenden Generator 4 benutzten Hochfrequenz-
Spannung ebenfalls frei gewählt werden.
Die Erfahrungen mit einem Prototyp der Quelle haben
gezeigt, daß beim Betrieb der Plasmastrahlquelle mit dem
Arbeitsgas Argon bei einem Arbeitsdruck von einigen 10-4
mbar und einer Hochfrequenzamplitude oberhalb von 500
Volt eine Arbeitsfrequenz von f≅20 MHz die Bedingung
1/f << t erfüllt. Die Ionenstromdichte in einem mit dem
Prototyp der erfindungsgemäßen Plasmastrahlquelle erzeugten
Argon-Plasmastrahl erreichte Werte von etwa 4 mA/cm2
bei guter Homogenität über den gesamten Strahlquerschnitt.
Claims (9)
1. Verfahren zur Abtragung und Strukturierung von
Festkörperoberflächen sowie zur Herstellung von
Oberflächendotierungen durch Teilchenbeschuß,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Beschuß ein
Plasmastrahl verwendet wird.
2. Verfahren zur Extraktion eines Plasmastrahls nach
Anspruch 1 aus einem Niederdruckplasma, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Niederdruckplasma mittels
elektrischer und magnetischer Felder erzeugt wird
und Plasmaionen auf eine in Kontakt mit dem Plasma
stehende, als feines Gitter ausgebildete Elektrode
beschleunigt werden, die gegen das Plasma
Hochfrequenzspannung führt und zwischen der und
dem Plasma sich eine positive Plasmaionen
beschleunigende Gleichspannung einstellt, deren
Größe durch die Amplitude der zwischen dem Plasma
und der als feines Gitter ausgebildeten Elektrode
abfallenden Hochfrequenzspannung bestimmt wird,
daß der extrahierte Ionenstrom durch einen im Takte
der Hochfrequenz fließenden Elektronenstrom gleicher
Höhe zur Kompensation des Ionenstroms überlagert
wird und daß das Niederdruckplasma und der extrahierte
Plasmastrahl durch Gleichmagnetfelder geeigneter
Größe und Konfiguration geformt werden.
3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach
Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasma-
Gefäß (6) mit zwei großflächigen Elektroden (1,
2) vorgesehen ist, die über ein Anpassungsnetzwerk
(3, 5) mit einem Hochfrequenzgenerator (4) verbunden
sind und daß die Flächen der Elektroden (1, 2) so
gewählt sind, daß nahezu die gesamte Hochfrequenz-
Spannung an der einen als feines Gitter ausgebildeten
Elektrode (1) abfällt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Elektroden (2) topfförmig ausgebildet
ist und in das Innere des Plasmagefäßes (6) ragend
angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Elektroden (2) topfförmig ausgebildet
und auf das Plasmagefäß (6) aufgesetzt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Elektroden (2) das Plasmagefäß (6)
außen umfassend angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die als feines Gitter ausgebildete Elektrode (1)
auf einer selbsttätig wirkenden Nachspannvorrichtung
(20) befestigt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege der als feines Gitter ausgebildeten
Elektrode (1) in Isolator-Material eingebettet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Öffnungen der als feines
Gitter ausgebildeten Elektrode (1) kleiner als die
Dicke der Raumladungsschicht zwischen dieser Elektrode
(1) und dem Plasma (7) sind.
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