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1. Gegenstand der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Plasmaverarbeitung im allgemeinen, und insbesondere
ein Plasma-Behandlungssystem, das so konfiguriert ist, dass die
Gleichmäßigkeit
des Plasmas und der Prozessdurchsatz erhöht wird.
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2. Stand der Technik
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Plasmabehandlung
wird üblicherweise
verwendet, um die Oberflächen-Eigenschaften von Werkstücken zu
verändern,
die in integrierten Schaltungen, elektronischen Baugruppen und gedruckten Schaltplatten
eingesetzt werden. Plasma-Behandlungssysteme, wie z. B. solche,
die in
US-A-5,707,485 ,
US-A-5,542,559 ,
US-A-5,576,629 oder
US-A-5,480,052 beschrieben
sind, sind so konfiguriert, dass sie aus einem Prozessgas ein Plasma erzeugen
und direkt die Oberfläche
eines Substrats oder Werkstückes
mit energetischen Ionen aus dem Gasplasma bestrahlen, um Oberflächenatome
durch physikalische Abtragung oder chemisch unterstützte Abtragung
zu entfernen. Ionenbestrahlung kann verwendet werden, um die Oberfläche zu konditionieren, um
Eigenschaften, wie z. B. die Haftung, zu verbessern, um selektiv
eine Oberflächen-Fremdschicht von
einem Werkstückmaterial
zu entfernen, oder um ungewünschte
Verunreinigungen von der Oberfläche zu
entfernen. Plasmabehandlung wird bei elektronischen Baugruppen verwendet,
z. B. um die Oberflächen-Aktivität und/oder
Oberflächen-Reinheit
zur Vermeidung von Ablösungen
und Verbundfehlern zu erhöhen,
um die Leiter-Verbindungsfestigkeit zu verbessern, um eine Hohlraum
freie Unterfüllung
sicherzustellen, um Oxide zu entfernen, um die Halbleiterplättchen-Befestigung
zu verbessern und um die Adhäsion
für Einkapselungen
zu verbessern.
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Die
Zahl der pro Flächeneinheit
auftreffenden Ionen bzw. der Ionenstrom muss an allen Positionen
auf der Oberfläche
des Werkstückes
präzise und exakt
geregelt werden, so dass das Zeitintegral des Ionenstromes über die
Oberfläche
weitgehend gleichmäßig ist.
Die kritischen Parameter zur Regelung der Gleichmäßigkeit
des Ionenstromes schließen
die räumliche
Gleichmäßigkeit
der Erregungs-Leistung und der Verteilung des Prozessgases ein.
Ein ungleichmäßiger Ionenstrom
verschlechtert die Prozesszulässigkeit
und reduziert das Prozessergebnis.
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Plasma-Behandlungssysteme
können
in Fließband-
und Gruppen-Systemen
oder Chargen-Prozessen eingesetzt werden, in denen Gruppen von Werkstücken durch
aufeinander folgende Plasmabestrahlung oder Bearbeitungszyklen bearbeitet
werden. Die Werkstücke
können
in einem Magazin, einzeln durch ein Förderbandsystem oder manuell
zugeführt
werden. Plasma-Behandlungssysteme können mit automatisierten Roboter-Manipulatoren ausgerüstet sein,
die den Werkstückaustausch zur
Plasma-Behandlung
koordinieren.
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Dem
Stand der Technik gemäße Plasma-Behandlungssysteme
können
keine adäquate
gleichmäßige Bearbeitung über die
Oberfläche
des einzelnen Werkstückes
gewährleisten.
Um eine gleichmäßige Bearbeitung
von Werkstück
zu Werkstück
zu gewährleisten,
muss das Prozessgas gleichmäßig verteilt
und gleichmäßig durch
die Erregungsleistung ionisiert sein, so dass die Ionenflussdichte über der Oberfläche des
Werkstückes
gebietlich gleichmäßig ist.
Dem Stand der Technik gemäße Plasma-Behandlungssysteme
haben auch keine adäquate
Reproduzierbarkeit der Plasma-Behandlung zwischen aufeinander folgenden
Chargen von Werkstücken
erzielen können.
Die Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge hängt von der exakten Regelung
von Prozessvariablen und Parametern ab, so dass auf einander folgende
Werkstücke
weitgehend identischen Plasma-Bedingungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus sind
dem Stand der Technik gemäße Plasma-Behandlungssysteme
ausserstande, Werkstücke
mit einem schnellen Durchsatz zu bearbeiten, der für automatisierte
Produktionsstraßen
oder Fabrikations-Bedingungen geeignet ist. Der System-Durchsatz und die
Gleichmäßigkeit
der Plasma-Behandlung muss maximiert werden, um die Produktionskosten
zu senken.
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Daher
besteht ein Bedarf nach einem Plasma-Behandlungssystem, das ein
Plasma mit einer gleichmäßigen Dichte
an allen Punkten einer Oberfläche
eines Werkstückes
liefern kann, und das die gleichmäßige Plasma-Dichte für eine Serie
von zu bearbeitenden Werkstücken
konstant reproduzieren kann.
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3. Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung löst
diese und andere Probleme der dem Stand der Technik gemäßen Plasma-Behandlungssysteme,
indem sie ein Plasma-Behandlungssystem
mit einer Bearbeitungskammer bzw. einem Bearbeitungs-Raum vorschlägt, der
mit einer programmierbaren Steuerungslogik verbunden ist und von
dieser Störungslogik
geregelt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zur Behandlung eines Werkstückes
mit einem Plasma, die Eigenschaften, wie in dem genannten
US-A-5,542,559 beschrieben, besitzt,
nämlich:
- – eine
Vakuumkammer mit einem Bearbeitungsraum und einer Wand;
- – einen
Gasversorgungs-Anschluss in der Vakuumkammer zum Einspeisen eines
Prozessgases in den Bearbeitungsraum;
- – einen
Vakuum-Anschluss in der Bearbeitungskammer zum Evakuieren des Bearbeitungsraumes;
- – eine
Werkstückhalterung,
die in dem Bearbeitungsraum angeordnet ist und zur Aufnahme und zum
Tragen des Werkstückes
konfiguriert ist;
- – eine
Plasma-Erregungsquelle zum Erregen des Prozessgases in dem Bearbeitungsraum,
um Plasma zu erzeugen;
- – eine
Leistungselektrode, die mit der Plasma-Erregungsquelle verbunden
ist, und in elektrischer Verbindung mit der Werkstückhalterung
steht; und
- – eine
elektrische Einspeisung, die sich durch die Wand der Kammer erstreckt
und elektrisch mit der Leistungs-Elektrode verbunden ist.
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Um
die gewünschte
gleichförmige
Dichte an allen benachbarten Punkten der Oberfläche eines Werkstückes zu
erzielen, und um die Fähigkeit
die gleichförmige
Plasmadichte für
die aufeinander folgende Bearbeitung einer Serie von Werkstücken kontinuierlich
zu reproduzieren, wird erfindungsgemäß gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen,
dass:
- – eine
Vakuum-Streuplatte zwischen dem Vakuumanschluss und der Werkstückhalterung
angeordnet ist, um Prozessgas gleichmäßig über die Leistungselektrode
zu verteilen; und
- – die
Vakuum-Streuplatte die Leistungselektrode elektrisch von der Kammer
abschirmt und eine Erzeugung von Plasma in einem Teil des Bearbeitungs-Raumes
zwischen der Vakuum-Streuplatte und dem Vakuum-Anschluss verhindert.
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Die
Vakuum-Streuplatte gewährleistet,
benachbart zu dem Vakuum-Anschluss,
einen gleichmäßigen Prozessgasstrom über das
Werkstück, während sie
gleichzeitig bei einer schnellen Evakuierung des Bearbeitungsraumes
eine hohe Pumpenleistung bedingt. Die Leistungs-Elektrode, die zwischen
der Vakuum-Streuplatte und der Werkstückhalterung angeordnet ist
und in elektrischem Kontakt mit der Werkstückhalterung steht, ist operativ
mit der Plasma-Erregungsquelle verbunden, um ein Plasma aus dem
Prozessgas zu erzeugen.
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In
einer Erscheinungsform der Erfindung kann die Vakuum-Streuplatte
aus einem Keramikstoff bestehen und als ein Schild zur Reduzierung
der Plasma-Erregungsleistung dienen, die zur Erzeugung eines Plasmas
in der Bearbeitungskammer benötigt
wird. Die Streuplatte begrenzt das Plasma auf einen Teil des Bearbeitungsraumes,
der benachbart zu der Leistungselektrode und dem Werkstück angeordnet
ist.
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In
einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist die Werkstückhalterung
so konfiguriert, dass sie das Werkstück äquidistant zwischen der Leistungselektrode
und der Erdungselektrode hält. Die
symmetrische Plazierung trägt
dazu bei, ein weitgehend senkrechtes elektrisches Feld zwischen
den Elektroden zu erzeugen und trägt dadurch zu einer äußerst hohen
gleichmäßigen und
symmetrischen Verteilung der Plasmadichte in der Nachbarschaft des
Werkstückes
bei.
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In
einer anderen Erscheinungsform der Erfindung besitzt der Kammerdeckel
der Vakuumkammer ein Gasverteilungssystem mit einer Gaseintrittsöffnung zur
Einspeisung von Prozessgas in einen Gasverteilungsraum, der in dem
Kammerdeckel eingebettet ist. Eine Reihe von Öffnungen sind an der internen
Fläche
des Deckels vorgesehen und so angeordnet, dass sie einen symmetrischen
und gleichmäßigen Strom
eines Prozessgases in zwei Dimensionen über die Oberfläche des
Werkstückes
gewährleisten,
das von der Werkstückhalterung
gehalten wird. Wenn das Prozessgas durch eine Plasma-Erregungsquelle
ionisiert wird, trägt
der gleichmäßige Strom
zu einer gleichmäßigen Plasma-Dichte
bei.
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In
einer anderen Erscheinungsform der Erfindung besitzt das Scharnier,
das den Kammerboden mit dem Kammerdeckel bzw. dem Zugangselement
kuppelt, eine unrunde Lagernut zur Aufnahme eines Scharnierstiftes.
Die unrunde Lagernut bietet Platz für eine weitgehend vertikale
Zusammendrückung
des Dichtungselementes bzw. des O-Ringes zwischen dem Kammerdeckel
bzw. Zugangselement und dem Kammerunterteil, wenn in der Bearbeitungskammer
ein Vakuum besteht. Durch die Beschränkung lateraler Bewegungen
zwischen dem Deckel und dem Kammerunterteil wird ein Abrieb der Oberfläche des
Dichtungselementes weitgehend reduziert und die Lebensdauer des
Dichtungselementes wird wesentlich verlängert. Ferner sind der Deckel
und das Kammerunterteil entlang aller Kontaktpunkte mit dem Dichtungselement
infolge der gleichmäßigen, weitgehenden
vertikalen Kompression des Dichtungselementes gleichmäßig abgedichtet.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann das Plasma-Behandlungssystem
ein positionsvariables Werkstückhalterungteil
mit einer beweglichen Halterungs-Struktur besitzen. Durch eine einfache
Repositionierung der Halterungsstruktur kann das System schnell
geänderten
Werkstück-Dimensionen
angepasst werden.
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Diese
und andere Aufgaben der Erfindung und die Vorteile der Erfindung
sind aus den anhängenden
Zeichnungen und deren Beschreibung ersichtlich.
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4. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
anhängenden
Zeichnungen, die in diese Erfindung eingeschlossen sind und Bestandteil
dieser Erfindung bilden, stellen erfindungsgemäße Ausführungsformen dar; zusammen
mit einer oben gegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung
und der unten gegebenen detaillierten Beschreibung der Erfindung
dienen sie zur Erklärung
der erfindungsgemäßen Prinzipien.
Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Plasma-Behandlungssystems;
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2A eine
schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht des Plasma-Behandlungssystems
gemäß 1;
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2B eine
schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht des Plasma-Behandlungssystems
gemäß 1,
bei dem der Kammerdeckel in einer Geschlossen-Position ist;
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2C eine
detaillierte Seitenansicht des Plasma-Behandlungssystems gemäß 1
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3 eine
Frontansicht des Plasma-Behandlungssystems gemäß 1;
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4 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Regelsystem für ein Plasma-Behandlungssystem
gemäß 1 zeigt;
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5 ein
Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Anwendung eines Plasma-Behandlungszyklus unter
Verwendung des Regelungssystems gemäß 4 zeigt;
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6 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
eines Werkstückhalters;
und
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7 eine
partielle Frontansicht des Werkstückhalters gemäß 6.
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5. Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In
Verbindung mit den erfindungsgemäßen Prinzipien
und erfindungsgemäßen Aufgaben
schlägt die
Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung eines
Werkstückes
mit Plasma vor. Die Erfindung schlägt ein Plasma-Behandlungssystem vor,
das konfiguriert ist für:
die Erzeugung eines Plasmas gleichmäßiger Dichte, einen schnellen
Abpump- und Spül-Zyklus, reproduzierbare
Zyklusbedingungen, und eine vereinfachte Materialhandhabung. Das System
benötigt
vorteilhafterweise eine reduzierte Erregungsleistung zur Erzeugung
und Aufrechterhaltung eines gleichmäßig dichten Plasmas in dem
Bearbeitungsraum, wobei es einen Regelungs-Algorithmus verwendet, der die Zykluszeit
minimiert, die erforderlich ist, jedes aufeinander folgende Werkstück zu bearbeiten.
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Ein
erfindungsgemäßes Plasma-Behandlungssystem 10 ist
in 1, 2A bis 2C und 3 dargestellt.
Gemäß 1 besitzt
das Plasma-Behandlungssystem 10 eine
Bearbeitungskammer 12, eine Ladestation 20 und
eine Entladestation 22, die auf einer im wesentlichen ebenen
und mechanisch stabilen Oberfläche 24 auf
einem Instrumentenschrank 26 angeordnet sind. Die Bearbeitungskammer 12 besitzt
einen Kammerdeckel 14, der mittels einer Scharnierverbindung 16 schwenkbar
an einem Kammerunterteil 18 befestigt ist. Der Kammerdeckel 14 ist
selektiv zwischen einer Offen-Position gemäß 1 und 2A und
einer Geschlossen-Position gemäß 2B positionierbar.
Das Kammerunterteil 18 und der Kammerdeckel 14 sind vorzugsweise
aus einem elektrisch leitenden Material geformt, das für Hoch-Vakuum
Anwendungen geeignet ist, z. B. aus einer Aluminium-Legierung oder einem
Edelstahl.
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Der
Kammerdeckel 14 besitzt eine domförmige Decke 28 und
eine integrierte Seitenwand 30, die von einem flachen Rand
bzw. einer Lippe 32 umgeben ist. In der Decke 28 ist
eine Sichtglasöffnung 38 zur
Halterung eines Sichtglases 34 angeordnet. Wie am besten
in 2C dargestellt, ist das Sichtglas 34 mittels
eines Rahmens 35 und Befestigungselementen 36 weitgehend
planar an dem Kammerdeckel 14 befestigt. Ein O-Ring 40 liegt
in einer Nut 42, die die Sichtglasöffnung 38 umgibt.
Das Sichtglas 34 ist kompressiv mit dem O-Ring 40 in
Eingriff, um eine vakuumdichte Dichtung zu erzeugen, wobei die Dichtungskraft
durch die Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite
der Bearbeitung-Kammer 12 und die Befestigungselemente 36 aufgebracht
wird. Das Sichtglas 34 besteht aus einem dilektrischen
Keramikmaterial, wie z. B. Quarz oder Aluminium, das einen niedrigen
Bedampfungs-Koeffizienten besitzt, das gas-undurchlässig ist
und das einen breiten Durchlassbereich für optische Wellenlängen besitzt.
Der O-Ring 40 besteht vorzugsweise aus einem Elastomer,
wie z. B. Viton®.
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Das
Kammerunterteil 18 besitzt eine Bodenwand 44 integral
mit einer Seitenwand 46, die von einer flachen Lippe 48 umgeben
ist. Die Lippe 48 besitzt eine Umfangsnut 50 zur
Aufnahme eines leitenden elastischen Dichtungs-Elementes oder O-Ringes 51,
das eine elektrisch leitende Verbindung und eine weitgehend vakuumdichte
Dichtung zwischen dem Kammerdeckel 14 und dem Kammerunterteil 18 herstellt.
Die Abmessungen der Nut 50 und des O-Ringes 51 sind
so gewählt,
dass eine vakuumdichte Dichtung hergestellt wird. Es ist offensichtlich,
dass die O-Ring-Nut 50 und damit der O-Ring 51 entweder in
dem Kammerdeckel 14 oder dem Kammer-Unterteil 18 positioniert
sein können
ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Es ist weniger wahrscheinlich,
dass Partikel aus der Umgebung an dem O-Ring 51 anhaften
und die Dichtungs-Fähigkeit des
O-Ringes 51 gefährden, wenn
der O-Ring 51 in dem Kammerdeckel 14 angeordnet
ist.
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Der
O-Ring 51 ist eine leitende elastomerische Dichtung, die
vorzugsweise aus einem leitenden Füllpulver hergestellt ist, das
in einem elastomerischen Binder gebunden ist, wie z. B. vorzugsweise ein
Pulver aus Silber und Aluminium in Silikon. Ein Beispiel eines O-Ring 51 besteht
aus einer leitenden Mischung, die unter dem Handelsnamen Cho-seal® von
EMI Shielding Products, a division of Parker Hannifin Corp. (Cleveland,
OH) hergestellt und vertrieben wird.
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In
einer anderen Erscheinungsform der Erfindung besitzt das Kammerunterteil 18 ferner
ein Werkstückhalterungsteil
bzw. Substratträger 64,
der zur Aufnahme und zum Tragen eines Teiles bzw. eines Werkstückes 56 konfiguriert
ist. Üblicherweise
ist das Werkstück 56 eine
rechteckige ebene Struktur einer vorgegebenen Dicke mit einander
gegenüber
liegenden Kanten 58 und 59 einer Frontkante 60 und
einer Endkante 62. Die einander gegenüber liegenden Kanten 58 und 59 sind
in Querrichtung durch eine vorgegebene maximale Breite von einander
getrennt, die rechtwinkelig zu einer Längsachse des Werkstückes 56 gemessen
wird. Das Werkstück 56 kann
ein leisten- oder band-förmiges
Teil sein, wie z. B. eine „Kugelgitter-Anordnung" (ball grit array
= BGA) oder ein metallischer Führungsrahmen,
singularisierte BGA's,
die von einem „Auer
boat" getragen werden oder
eine Palette, die elektronische Multi-Chipmodule, integrierte Schaltkreis-Chips, o. dgl. trägt.
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Wie
am besten in 2C ersichtlich ist, besitzt
der Werkstück-
bzw. Substrat-Träger 64 einander
gegenüber
liegende Seitenschienen 66a und 66b die sich vertikal
von einer im wesentlichen ebenen Tragplatte 68 weg erstrecken.
Die Seitenschiene 66a ist entlang der Mittellinie der Tragplatte 68 mit
Abstand zu der Seitenschiene 66b angeordnet, so dass die
max. Breite zwischen den Seitenkanten 58 und 59 des
Werkstückes 56 aufgenommen
werden kann. Zum guten Verständnis
wird die Seitenschiene 66a nachstehend detailliert beschrieben
mit dem Verständnis,
dass die Seitenschiene 66b eine identische Struktur besitzt.
Die Seitenschiene 66a ragt über eine horizontale Ebene
auf, die die Lippe 48 einschließt und in die ein Längs- bzw. Führungs-Kanal 72 (am besten
in 3 dargestellt) eingebettet ist, der sich parallel
zu einer Längsachse
des Substratträgers 64 erstreckt.
Der Kanal 72 besitzt ein U-förmiges Querschnitts-Profil,
das zur gleitenden Aufnahme der Seitenkante 59 des Werkstückes 56 dimensioniert
ist. Einander gegenüber
liegende Enden des Kanals 72 besitzen gespreizte Lippen 74 (wie
am besten in 3 dargestellt), die die Seitenkanten 59 des
Werkstückes 56 während des
Ladens physisch einfangen. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann
der Substratträger 64 zur
Aufnahme von Werkstücken 56 mit
max. Abmessungen von 6,68 cm (Breite) × 23,5 cm (Länge) × 0,95 cm
(Dicke) (2,7 inch × 9,25
inch × 3/8
inch) oder maximalen Abmessungen von 15,24 cm × 30,48 cm × 2,54 cm (6 inch × 12 inch × 1 inch) konfiguriert
sein.
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Gemäß 1 sind
die Ladestation 20 und die Entladestation 22 benachbart
zu den einander gegenüber
liegenden zugeordneten Enden der Bearbeitungs-Kammer 12 angeordnet;
sie sind konfiguriert, um Werkstücke 56 und 56' in die Bearbeitungskammer 12 zu
laden und aus der Bearbeitungskammer 12 auszuladen. Die
Ladestation 20 besitzt eine weitgehend ebene Tragplatte 76 und
einander gegenüber
liegende seitliche Ladeschienen 78a und 78b. Die
seitliche Ladeschiene 78a ist entlang der Längsachse
der Tragplatte 76 in einem Abstand zur seitlichen Ladeschiene 78b angeordnet,
so dass die max. Breite eines Werkstückes 56 aufgenommen werden
kann. Zum guten Verständnis
wird die Seitenschiene 78a nachstehend detailliert beschrieben,
mit dem Verständnis,
dass die Seitenschiene 78b weitgehend identisch ist. Die
seitliche Ladeschiene 78a ragt über eine horizontale Ebene,
die die Lippe 48 einschließt und in die ein Längskanal 82 eingebettet ist.
Der Kanal 82 besitzt ein U-förmiges Querschnittsprofil,
das so dimensioniert ist, dass es eine gegenüber liegende Seitenkante 58 oder 59 des
Werkstückes 56 gleitend
aufnehmen kann. Einander gegenüber
liegende Enden des Kanals 82 besitzen bespreizte Lippen 80,
die die Seitenkanten 58 und 59 des Werkstückes 56 physikalisch
einfangen. Stützzapfen 84 erstrecken
sich von einer Unterfläche
der Tragplatte 76 zur Oberfläche 24.
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Die
Entladestation 22 ist ähnlich
konfiguriert wie die Ladestation 20. Die Entladestation 22 besitzt einander
gegenüber
liegende seitliche Entladeschienen 86a und 86b,
die sich aufwärts
und auswärts
von einer ebenen Tragplatte 88 erstrecken. Zum guten Verständnis ist
die Seitenschiene 86a nachstehend detailliert beschrieben,
mit dem Verständnis,
dass die Seitenschiene 86b eine identische Struktur besitzt. Die
Seitenschiene 86a ragt über
eine zentrale Ebene, die die Lippe 48 einschließt und in
die ein Längskanal 90 eingebettet
ist. Der Kanal 90 besitzt ein U-förmiges Querschnittsprofil,
das zur gleitenden Aufnahme einer der beiden peripheren Kanten 58' und 59' des bearbeiteten
Werkstückes 56' dimensioniert
ist. Einander gegenüber
liegende Enden des Kanals 90 besitzen gespreizte Lippen 91,
die das physische Einfangen der Seitenkanten 58' und 59' des bearbeiteten
Werkstückes 56' während des
Entladens unterstützen.
Stützzapfen 92 erstrecken
sich von einer Unterseite der Tragplatte 88 zur Oberfläche 24.
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Das
Plasma-Behandlungssystem 10 besitzt ferner Klemmräder 99,
die an der Ladestation 20 und Entladestation 22 befestigt
sind und einen Positionierungs-Hebel 94. Die Klemmräder 99 dienen
zur Feinjustierung der Posi tion des Werkstückes 56 bzw. des Werkstückes 56'. Der Hebel 94 ist
entlang der Länge eines
Schlitzes 96, der in der Oberfläche 24 des Instrumentenschrankes 26 gebildet
ist, bewegbar und auch vertikal versetzbar. Ein Antriebsmechanismus (nicht
dargestellt) ist mit dem Hebel 94 verbunden; er ist betätigbar,
um den Positionierungshebel 94 vertikal und entlang des
Schlitzes 96 zu bewegen. Der Positionierungshebel 94 ist
während
eines Plasma-Bearbeitungs-Zyklus vollständig außerhalb der Bearbeitungskammer
positioniert.
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Der
Positionierungshebel 94 besitzt ferner eine Stange 97 mit
einem ersten Finger 98a, der selektiv an einer Endkante 62 des
Werkstückes 56 anliegt,
das zwischen den seitlichen Ladeschienen 78a und 78b gehalten
wird und mit einem zweiten Finger 98b, der selektiv an
einer Endkante 62 des zweiten Werkstückes 56 anliegt, das
zwischen den Seitenschienen 66a und 66b gehalten
wird. Es ist zu verstehen, dass die Finger 98a und 89b relativ
zu der Stange 97 vorgespannt sein können; und zusätzlich,
dass die Finger 98a und 98b ferner einen Sensor
zur Detektierung eines Widerstandes in der linearen Bewegung des
Positionierungshebels 94, infolge z. B. einer Fehlausrichtung
eines Werkstückes
mit einem Satz von Seitenschienen, besitzen.
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Während einer
Werkstückladeoperation
wird ein Werkstück 56 von
einem automatisierten Fördersystem
(nicht dargestellt) zugeführt
und in den seitlichen Ladeschienen 78a und 78b der
Ladestation 20 positioniert. Klemmräder 99 der Ladestation 20 werden
verwendet, um das Werkstück 56 in
kleinen Schritten zur korrekten Positionierung zu bewegen. Nachdem
der Kammerdeckel 14 geöffnet
worden ist, wird der Positionierungshebel 94 aus seiner
Ruhestellung abgesenkt und linear betätigt, so dass der Finger 98a mit
der Endkante 62 in Eingriff kommt und das Werkstück 56 entlang
der seitlichen Ladeschienen 78a und 78b in Richtung
auf den Substratträger 64 drückt. Die
Frontkante 60 des Werkstückes 56 überschreitet
dabei den Spalt zwischen den seitlichen Ladeschienen 78a und 78b und
den Seitenschienen 66a und 66b. Die einander gegenüber liegenden
Kanten 58 und 59 des Werkstückes 56 werden dabei
gleitend von den Seitenschienen 66a und 66b aufgenommen.
Danach drückt
der Positionierungshebel 94 das Werkstück 56 weiter vorwärts, bis es
passend und korrekt auf dem Substratträger 64 positioniert
ist. Vorzugsweise ist die Mittellinie des Werkstückes 56 koaxial mit
der zentralen vertikalen Achse bzw. Mittellinie der Bearbeitungskammer 12 positioniert.
Der Positionierungshebel 94 bewegt sich dann vertikal,
so dass der Finger 95b die Frontkante des Werkstückes 56 frei
gibt, wenn der Hebel 94 in seine Ruheposition zurückgezogen
wird.
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Wenn
das bearbeitete Werkstück 56' während der
Werkplatz-Ladeoperation
auf dem Substratträger 64 ruht,
ist der Finger 98b mit der Endkante 62' in Eingriff
und der Positionierungshebel 94 schiebt das bearbeitete
Werkstück 56' in Richtung
auf die Entladestation 22. Die Frontkante 60' des bearbeiteten
Werkstückes 56' überspannt
den Spalt zwischen der Bearbeitungskammer 12 und der Entladestation 22.
Die Seitenkanten 58' und 59' des bearbeiteten Werkstückes 56' werden von
den seitlichen Entladeschienen 86a und 86b eingefangen.
Während
der weiteren geradlinigen Bewegung wird das bearbeitete Werkstück 56' vollständig aus
der Bearbeitungskammer 12 entfernt. Die Klemmräder 99 der
Entladestation 22 werden verwendet, um das bearbeitete Werkstück 56' schrittweise
zu bewegen, um es zur Vorbereitung für den Transport zur nächsten Bearbeitungsstation
exakt zu positionieren.
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Die
Scharnieranordnung 16 ist so ausgeführt, dass der Kammerdeckel 14 relativ
zum Kammerunterteil 18 selektiv zwischen einer Offen-Position
(am besten in 2A dargestellt) und einer Geschlossen-Position
(am besten in 2B dargestellt) geschwenkt werden
kann. Die Scharnieranordnung 16 besitzt mindestens zwei
Lagerbügel 100 (am
besten in 1 dargestellt), die in Abstand
zueinander entlang der nicht-vakuum Seite der Seitenwand 46 angeordnet
sind. Wenn der Kammerdeckel 14 in eine Geschlossen-Position geschwenkt
ist, bilden der Kammerdeckel 14 und das Kammerunterteil 18 einen vakuumdichten
Bearbeitungsraum 102, wie z. B. in 2B dargestellt.
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Jeder
Bügel 100 besitzt
eine V-förmige
Strebe 104 und eine Nocke 106, die mit Befestigungselementen 108 an
einer nicht-vakuum Seite der Seitenwand 46 befestigt ist.
Jede Strebe 104 wird von einem Scharnierstift 110 getragen,
der in einer Öffnung 112 in
der Nähe
der Biegung der Strebe 104 in einer koaxialen Öffnung 124 in
der Noppe 106 gelagert ist. Wie in 1 dargestellt,
ist der Scharnierstift 110 in beiden Lagerbügeln 100 gelagert.
Zurück
zu 2A: ein Ende der Strebe 104 ist mit der
nicht-vakuum Seite der Seitenwand 30 des Kammerdeckels 14 verbunden.
Ein zweites Ende jeder Strebe 104 besitzt eine Öffnung 114 zur
Aufnahme einer Verbindungsstange 116, die ebenfalls von
beiden Streben 104 benutzt wird.
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Die
Verbindungsstange 116 ist ferner an einem Stangenende 118 befestigt,
das mittels einer Gewindeverbindung von einem Ende einer Kolbenstange 120 eines
bi-direktionalen pneumatischen Zylinders oder eines Antriebes 122 getragen
wird. Das Stangenende 118 besitzt ferner eine Öffnung (nicht dargestellt,
aber ähnlich
und kolinear mit der Öffnung 114)
mit einem Innendurchmesser, der so bemessen ist, dass sie die Verbindungsstange 116 gleitend
aufnehmen kann. Die Kolbenstange 120 ist für oszillierende
lineare vertikale Bewegungen ausgelegt, so dass die Strebe 104 um
den Scharnierstift 110 schwenken kann, um den Deckel 14 zwischen
einer Offen-Position und einer Geschlossen-Position zu schwenken.
Wie in 2C dargestellt, ist das gegenüber liegende Ende des Deckel-Antriebs 122 mittels eines
Lagerbockes 126 innerhalb des Instrumentenschrankes 26 an
einer Tragkonstruktion (nicht dargestellt) befestigt.
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Gemäß 2B ist
bei einer Erscheinungsform der Erfindung ein unrundes Lager 128 gleitend in
der Öffnung 124 der
Noppe 106 aufgenommen. Das unrunde Lager 128 besitzt
eine äußere ringförmige Oberfläche mit
einem äußeren Durchmesser, der
so gewählt
ist, dass er in einem Reibungssitz in die Öffnung 124 passt;
und eine innere Bohrung 130, die zur Aufnahme des Scharnierstiftes
dimensioniert ist. Die Bohrung 130 besitzt ein weitgehend
ovales Querschnittsprofil mit einer vertikalen Hauptachse, wie dargestellt,
senkrecht zur Längsachse
der Bohrung 130. Wenn der Kammerdeckel 14 in einer
Offen-Position ist, wie in 2B dargestellt,
berührt eine
Länge eines
Endes des Scharnierstiftes 110 eine untere innere Oberfläche der
Bohrung 130. Wenn der Kammerdeckel 14 von dem
Deckelantrieb 122 geschwenkt wird, dreht sich der Scharnierstift 110 um
seine Längsachse.
Während
der Drehung bleibt die äußere Oberfläche des
Scharnierstiftes 110 in Kontakt mit der unteren inneren
Oberfläche
der Bohrung 130. Wenn die Lippe 32 die Oberfläche des O-Ringes 51 berührt, wie
in 2B dargestellt, wird der Deckelantrieb 122 sich
weiter ausstrecken, so dass der Kammerdeckel 14 abwärts bewegt
wird, um den O-Ring 51 zusammenzudrücken. Bedingt durch das unrunde
Lager 128 kann sich der Scharnierstift 110 in
der Bohrung 130 vertikal aufwärts bewegen.
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Gemäß 2C,
in der der Kammerdeckel 14 in einer Geschlossen-Position
ruht, umschließen
die interne periphere Oberfläche
des Kammerdeckels 14 und des Kammerunterteils 18 den
Bearbeitungsraum 102. Die Vakuumdichtung wird durch die
weitere Zusammendrückung
des O-Ringes 51 zwischen dem Kammerunterteil 18 und
dem Kammerdeckel 14 verstärkt. Die zusätzliche
Zusammendrückung
des O-Ringes 51 resultiert aus der Druckdifferenz zwischen
dem atmosphärischen
Druck, der auf die Außenfläche des
Kammerdeckels 14 wirkt und dem Vakuum innerhalb der Bearbeitungskammer 12,
die eine Kraft ausübt,
die den Kammerdeckel 14 vertikal abwärts auf das Kammerunterteil 18 drückt. Der Scharnierstift 110 bewegt
sich, bedingt durch das unrunde Lager 128, vertikal mit
einer minimalen seitlichen Bewegung.
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Die
Bohrung 130 mit dem unrunden Lager 128 gewährt dem
Scharnierstift 110 einen zusätzlichen vertikalen Freiheitsgrad
im Vergleich zu einem dem Stand der Technik gemäßen Lager, das eine Bohrung
mit einem kreisförmigen
Querschnittsprofil besitzt. Der Kammerdeckel 14 kann sich
unter der Wirkung der Kräfte,
die den O-Ring 51 zusammendrücken, vertikal frei bewegen.
Dadurch ist die vakuumdichte Dichtung zwischen der Lippe 32 und
dem O-Ring 51 entlang des gesamten Umfanges der Nut 50 gleichmäßig. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
gewährt
das unrunde Lager 128 dem Scharnierstift 110 eine
vertikale Bewegungsfreiheit von ungefähr 1,27 mm (50 mils).
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Ein
Manometer 52 ist mittels einer Rohrleitung 53 mit
einer Öffnung
in der Seitenwand 46 verbunden. Das Manometer 52 dient
zur Messung des Vakuum-Druckes in dem Bearbeitungsraum 102 und liefert
ein Druck-Rückführungssignal.
Ein Beispiel für das
Manometer 52 ist ein Kapazitanz- Manometer, wie z. B. das Baratron® Capacitance
Manometer hergestellt von MKS Instruments (Andover, MA). Ein Ablassventil 54 ist
mittels einer Rohrleitung 55 mit einer anderen Öffnung der
Seitenwand 46 verbunden. Das Ablassventil 54 dient
zur Spülung
der Bearbeitungskammer 12 mit Umgebungsluft oder einem
Gas, wie z. B. Stickstoff.
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Gemäß 3 ist
das Plasma-Behandlungssystem 10 fuidströmungsmäßig über eine große, zentral
angeordnete Austrittsöffnung 136 in
der Bodenwand 44 des Kammerunterteils 18 mit einem
Vakuum-Pumpensystem 134 verbunden. Das Vakuum-Pumpensystem 134 besitzt
ein konisches Reduzierstück 138,
ein Vakuumventil 140, eine Vakuum-Austrittsleitung (nicht
dargestellt) und eine Vakuumpumpe 144.
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Einander
gegenüber
liegende Enden des konischen Reduzierstückes 138 tragen einen
ersten Vakuumflansch 146 und einen zweiten Vakuumflansch 166.
Der erste Vakuumflansch 146 ist mittels eines Sieb-Zentrier-Ringes 148,
der von einem O-Ring 150 umgeben ist und mehreren Spantringklammern 152 mit
dem Vakuumanschluss 136 verbunden. Die Spantringklammern 152 sind
symmetrisch um die Peripherie des ersten Vakuumflansches 146 angeordnet.
Jede Spantringklammer 152 besitzt ein konisches Segment 154,
das so konfiguriert ist, dass es mit einer zugeordneten Unterseite
des ersten Vakuumflansches 146 in Eingriff kommt, und einen Anschlagteil 156 der
ferner Bohrungen (nicht dargestellt) für die lösbare Aufnahme von Befestigungselementen 160 besitzt.
Vorzugsweise sind die Befestigungselemente 160 Gewindebolzen,
die in Bohrungen in der Bodenwand 44 befestigbar sind,
die zugeordnete interne Gewinde (nicht dargestellt) besitzen. Um
eine vakuumdichte Dichtung zu erzeugen, werden die Befestigungselemente 160 in
einer vorgegebenen Reihenfolge mit einem vorgegebenen Drehmoment
angezogen, um den O-Ring 150 gleichmäßig zusammenzudrücken.
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Das
Vakuumventil 140 trägt
einen oberen Vakuumflansch 162, der mittels eines Vakuumanschlusses 164 in
Fluid-Strömungsverbindung mit
einem zweiten Vakuumflansch 166 verbunden ist, der von
dem konischen Reduzierstück 138 getragen wird.
Der Vakuumanschluss 164 besitzt eine lösba re zangenartige Klammer 168 mit
einem Flügelmutter-Verschluss 170 und
einem durchbohrten Zentrierring 172. Wenn der Flügelmutter-Verschluss 170 angezogen
ist, ist ein O-Ring 174, der von dem Zentrierring 174 getragen
wird, zusammen gedrückt,
um eine vakuumdichte Dichtung zu bilden. Das Vakuumventil 140 ist
ferner zum Fluidaustausch mit der Vakuumpumpe 144 verbunden.
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Die
Vakuumpumpe 144 kann aus einer oder mehreren Vakuumpumpen
bestehen, was einem mit dem Stand der Vakuum-Technologie Vertrauten
offensichtlich ist. Eine bevorzugte Vakuumpumpe 144 ist
eine einstufige Drehschieber Vakuumpumpe der Art, die z. B. von
Alcatel Vakuum Technologies Inc. (Fremont, CA) hergestellt wird,
die eine Fördermenge
von ungefähr
18,7 m3/h (11 cubic feet per minute) besitzt,
und die in Folge der hohen Leitfähigkeit
der Bearbeitungskammer 12 den Bearbeitungsraum 102 in
weniger als 6 sec auf einen Vakuumdruck von ungefähr 0,27
hPa (200 mTorr) evakuieren kann. Alternative Vakuumpumpen 144 schließen Trockenpumpen
und Turbomolekular-Pumpen ein.
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Bei
einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vakuum-Streuplatte 180 auf
einer Schulter 178 im Inneren des Kammerunterteils 18 positioniert.
Die Vakuum-Streuplatte 180 ist eine ebene langgestreckte
Platte 182, die durch mehrere Blenden 184 perforiert
ist. Die Blenden 184 beschränken den Strom des Prozessgases
in Richtung auf den Eintritt des Vakuum-Pumpensystems 134,
um so das Druckdifferential zu streuen. Dadurch wird die gesamte
bearbeitete Oberfläche
des Werkstückes 56 gleichmäßig dem
Plasma ausgesetzt, während gleichzeitig
eine Hochgeschwindigkeits-Evakuierung des Prozessgases und zerstäubter Verunreinigungs-Spezies
während
einer Plasmabearbeitungs-Operation gewährleistet ist. Die Vakuum-Streuplatte 180 verhindert
ferner, dass der Gasstrom von der Vakuumpumpe 144 die Umgebung
des Werkstückes 56 auf
den Substratträger 64 beunruhigt.
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Vorzugsweise
besteht die Vakuum-Streuplatte 180 aus einem elektrisch
isolierenden Material, wie z. B. einem bearbeitbaren Keramikmaterial
mit einem minimalen Ausgas-Potential. Geeignete bearbeitbare Keramik- Materialien schließen ein
Aluminium Oxyd oder ein glasgebundenes Glimmergemisch ein, wie z.
B. Mykroy/Mycalex® oder Macor®.
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In
einer Erscheinungsform der Erfindung besitzt der Kammerdeckel 14 ein
integriertes Gasverteilungssystem, das so konfiguriert ist, dass
es den Strom des Prozessgases symmetrisch und gleichmäßig über die
Oberfläche
des Werkstückes 56 verteilt. Spezifisch
besitzt die Decke 28 des Kammerdeckels 14 einen
eingebetteten Hohlraum 186, einen Prozessgas-Eintrittsanschluss 190 und
mehrere Öffnungen 192.
Wie am besten in 2C dargestellt, ist der Gaseintrittsanschluss 190 in
dem Kammerdeckel 14 angeordnet und mittels einer Gasleitung 194 mit
einer Gasverteilerkammer 308 (4) verbunden,
um den Bearbeitungsraum 102 mit Prozessgas zu versorgen.
Wie am besten in 3 dargestellt, besitzt die Vakuumseite
der Decke 28 Öffnungen 192 zum Einspeisen
von Prozessgas aus dem Hohlraum 186 in den Bearbeitungsraum 102.
Vorzugsweise sind die Öffnungen 192 in
einer zweidimensionalen Reihe symmetrisch um die Längsachse
der Bearbeitungskammer 12 verteilt, so dass das Prozessgas
gleichmäßig über die
Oberfläche
des Werkstückes 56 strömt und damit
dazu beiträgt,
die Plasmagleichmäßigkeit
zu verbessern.
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In
einer anderen Erscheinungsform besitzt das Kammerunterteil 18 ferner
ein Leistungs-Verteilungssystem, das elektrische Leistung von einer Plasma-Erregungsquelle,
wie z. B. einem Hochfrequenz (HF) Generator 302 (4) überträgt, um das in
dem Bearbeitungsraum 102 eingeschlossene Prozessgas zu
ionisieren. Das Leistungs-Verteilungssystem besitzt eine Leistungs-Verteilungsschiene 198,
die operativ mit dem HF-Generator 302 verbunden ist, ein
Paar von Leistungs-Durchführungen 200, eine
Bodenelektrode 202 und einen Substratträger 64. Der HF-Generator 302 ist
mittels der Durchführungen 200 mit
dem Substrat-Träger 64 operativ
verbunden, der als eine Leistungs-Elektrode zur kapazitiven Kupplung
von Erregungsenergie mit dem Prozessgas in der Bearbeitungskammer 12 dient,
um in dem Bearbeitungsraum 102 ein Plasma zu initiieren und
aufrecht zu erhalten. Der Kammerdeckel 14 und das Kammerunterteil 18 bilden
gemeinsam eine neutrale, geerdete Elektrode.
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Die
Bodenwand 44 des Kammerunterteiles 18 besitzt
ferner zwei Öffnungen 204 zur
Aufnahme der Leistungsdurchführungen 200.
Eine kreisförmige Nut 208 ist
konzentrisch um die zentrale Längsachse jeder Öffnung 204 zur
Aufnahme eines O-Ringes 210 angeordnet. Die Leistungsdurchführung 200 besitzt einen
elektrische Zuganker 212, der koaxial von einer Abschirm-Isolator-Scheibe 214,
einer Kammer-Isolator-Scheibe 216 und einer Boden-Isolator-Scheibe 218 umgeben
ist. Vorzugsweise bestehen die Scheiben 214, 216 und 218 aus
einem gas-undurchlässigen
keramischen dielektrischen Material, wie z. B. Quarz oder Aluminium;
und jeder Zuganker 212 besteht aus einem elektrischen Leiter,
wie z. B. Kupfer, Aluminium oder Legierungen davon. Die Leistungsdurchführung 200 ist
gegenüber
der Bearbeitungskammer 12 elektrisch isoliert.
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Der
elektrische Zuganker 212 besitzt einen geflanschten Kopf 222 und
ein gegenüber
liegendes Gewindeende 226. Der geflanschte Kopf 222 wird von
einer komplementären
Vertiefung 228, die in der Oberseite der Bodenelektrode 202 angeordnet
ist, derart aufgenommen, dass er mit der Bodenelektrode 202 elektrisch
leitend verbunden und mechanisch gesichert ist, um Abwärtsbewegungen
zu verhindern. Der Zuganker 212 erstreckt sich abwärts durch
die zentralen Bohrungen der Abschirm-Isolatorscheibe 214 der
Kammer-Isolatorscheibe 216 und der Boden-Isolatorscheibe 218.
Das Gewindeende 226 des Zugankers 212 erstreckt
sich durch die Bodenwand 44 hinaus zur Verbindung mit der
Erregungsleistungsversorgung.
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Die
Boden-Isolatorscheibe 218 besitzt einen ringförmigen unteren
Teil 232 mit einem ersten äußeren Durchmesser und einen
ringförmigen
oberen Teil 234 mit einem kleineren zweiten äußeren Durchmesser.
Der obere Teil 234 wird von der Öffnung 204 derart
aufgenommen, dass die obere Oberfläche des unteren Teils 232 derart
an dem O-Ring 210 anliegt, dass eine vakuumdichte Dichtung
mit der Nicht-Vakuumoberfläche
der Bodenwand 44 gebildet wird. Ein konischer Teil 236 der
Bohrung 230 ist zur Aufnahme eines O-Ringes 238 konfiguriert.
Der konische Teil 236 ist so bemessen und so konfiguriert, dass
der O-Ring 238 durch das Befestigungselement 239 zusammen
gedrückt
werden kann, um eine Vakuum-Dichtung zwischen dem Umfang des Zugankers 212 und
der Boden-Isolator-Scheibe 218 zu bilden.
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Die
Abschirm-Isolator-Scheibe 214 ist zwischen der unteren
Oberfläche
der Bodenelektrode 202 und der oberen Oberfläche der
Vakuum-Streuplatte 180 angeordnet. Die Abschirm-Isolator-Scheibe 214 besitzt
einen ringförmigen
unteren Teil 242 mit einem ersten äußeren Durchmesser; sie ist
integral mit einem ringförmigen
oberen Teil 244 mit einem zweiten größeren äußeren Durchmesser verbunden. Der
obere Teil 244 liegt an der Vakuum-Streuplatte 180 an und der
untere Teil 244 ragt abwärts in eine Öffnung darin.
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Die
Kammer-Isolator-Scheibe 216 ist zwischen der inneren Bodenoberfläche des
Kammerunterteiles 18 und der unteren Oberfläche der
Vakuum-Streuplatte 180 eingesetzt.
Die Kammer-Isolations-Scheibe 214 besitzt einander gegenüber liegende
parallele Oberflächen 248 und 250.
Die Oberfläche 248 besitzt
eine erste Vertiefung, die über
eine Länge
des oberen Teil 234 der Boden-Isolator-Scheibe 218 passt.
Die gegenüber
liegende Oberfläche besitzt
eine zweite Vertiefung eines unterschiedlichen Durchmessers, die
eine Länge
des unteren Teiles 242 der Kammer-Isolator-Scheibe 216 aufnimmt.
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Das
Befestigungselement 239 besitzt eine Gewindebohrung, die
zu dem Gewindeende 226 des Zugankers 212 passt.
Wenn das Befestigungselement 229 angezogen ist, steht eine
obere Oberfläche der
Boden-Isolator-Scheibe 218 in
kompressivem Eingriff mit dem O-Ring 210 und wird aufwärts dagegen
gedrückt,
um eine vakuumdichte Dichtung zwischen dem Äußeren des Unterteils 18 und
der Boden-Isolator-Scheibe 218 zu bilden. Eine obere Oberfläche des
Befestigungselementes 239 ist kompressiv in Eingriff mit
dem O-Ring 238, der in dem kegelförmigen oberen Teil 234 angeordnet
ist, um eine vakuumdichte Dichtung zwischen dem Umfang des Zugankers 212 und
dem Innendurchmesser der Boden-Isolator-Scheibe 218 zu
erzeugen.
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Die
Leistungsverteilungsschiene 198 ist mittels zweier Befestigungselemente 256 und 258 an dem
Gewindeende 224 des Zugankers 212 befestigt. Die
obere Oberfläche
der Bodenelektrode 202 liegt an der unteren O berfläche des
Substratträgers 64 in geschlossenem
Kontakt an, so dass eine elektrische Verbindung hergestellt wird.
Dadurch wird elektrische Leistung, die der Leistungsverteilungsschiene 198 zugeführt wird, über den
Zuganker 212 auf den Substratträger 64 übertragen,
der selber als ein Teil der Leistungselektrode 202 funktioniert.
Die Bodenelektrode 202 und der Substratträger 64 bestehen
vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B.
Aluminium. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Bodenelektrode 202 aus
einem Keramikmaterial bestehen, so dass der Substratträger 64 allein
die Leistungselektrode bildet.
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Die
Vakuumstreuplatte 180, die oben detailliert beschrieben
wurde, dient auch als Plasma-Schild, das die HF-Feldstärke zwischen
der Unterseite der Bodenelektrode 202 und dem Kammerunterteil 18 reduziert.
Dadurch wird das Plasma in der Nähe
der Oberfläche
des Werkstückes 56,
das von dem Substratträger 64 gehalten
wird, intensiviert und die Leistung und die Zeit, die erforderlich
ist eine Plasmabehandlung jedes Werkstückes 56 durchzuführen, minimiert.
Ferner erzeugt die Konfiguration der Leistungselektroden und geerdeten
Elektroden ein elektrisches Feld, das weitgehend senkrecht zu einem
Werkstück 56 ausgerichtet
ist, das auf den Träger 64 lagert,
so dass die Flugbahnen der Ionen weitgehend senkrecht zur Normaloberfläche des Werkstückes 56 verlaufen.
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Das
Werkstück 56 ist
vorzugsweise in einer vertikalen Position in der Bearbeitungskammer 12 weitgehend
in einer Ebene in der Mitte zwischen der Decke 28 des Kammerdeckels 14 und
der oberen Oberfläche
der Tragplatte 68 positioniert. Relativ zu den dem Stand
der Technik gemäßen Plasma-Behandlungssystemen
gestatten die Minimierung des Volumens der Kammer 12 für eine hohe
Pumpenleistung und eine präzise
Positionierung des Werkstückes 56 eine
schnelle Plasma-Behandlung auf einem reduzierten Leistungsniveau.
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Gemäss 4 besitzt
das Plasma-Behandlungssystem 10 einen Gasströmungsregler 300 und einen
HF Generator 302, die mit der Bearbeitungskammer 12 verbunden
sind. Ein Bearbeitungssystem-Regler 304 empfängt Eingangssignale
von verschiedenen Geräten
innerhalb des Plasma- Behandlungssystems 10 und
liefert Ausgangssignale für
den Betrieb des Gasströmungsreglers 300 und
des HF-Generators 302. Der Regler 304 ist ferner
mit einer programmierbaren graphischen Benutzeroberfläche 306 verbunden.
Die Benutzeroberfläche 306 besitzt
Benutzereingabegeräte,
z. B. Drucktasten, Schalter usw., und ferner Ausgabegeräte, die
es dem Benutzer gestatten, den Betriebszustand des Plasma-Behandlungssystems 10 zu
verfolgen und seinen Betrieb zu regeln, z. B. Zustands- und Warn-Leuchten und einen
Bildschirm bzw. Monitor. Der Regler 304 kann jede Mikroprozessor-Reglerart
sein, die sowohl logische als auch arithmetische Funktionsfähigkeiten
besitzt; z. B. ein programmierbarer Logikregler, wie z. B. Model
Direct Logic 205, der von Koyo hergestellt und kommerziell
von Automation Direct of Cummings, Georgia kommerziell beziehbar
ist. Ferner wird die graphische Benutzeroberfläche 306 für den Direct
Logic 205 auch von Koyo hergestellt; sie ist ebenfalls
kommerziell von Automation Direct beziehbar.
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Üblicherweise
werden während
einer Plasma-Behandlungsoperation in der Bearbeitungskammer 12 mehrere
Prozessgase in einer Gasverteilungs-Kammer 308 gemischt. Beispiele
für solche Prozessgase
sind Ar, He, CO2, N2,
O2, CF4, SF6, H2 und Mischungen
davon. Jedes Prozessgas hat ein unabhängiges Gasversorgungssystem 309 bestehend
aus einer Gasquelle 310, einem Durchflussmengenregler 312,
einem Absperrventil 314 und einem Magnetventil 315.
Bei dem Beispiel, bei dem zwei Gase, z. B. Ar und O2 verwendet
werden, würden
zwei unabhängige
Gasversorgungssysteme 309a und 309b bestehend
aus Gasquellen 310a und 310b, Durchflussmengenreglern 312a und 312b,
Absperrventilen 314a, 314b und Magnetventilen 315a und 315b vorhanden
sein. Es ist offensichtlich, dass jede Anzahl zusätzlicher
Gasversorgungssysteme 309n an den Verteiler 308 angeschlossen
sein können
und jedes zusätzliche
Gas seine eigene Gasquelle 310n seinen eigenen Durchflussmengenregler 312n,
sein eigenes Absperrventil 314n und sein eigenes Magnetventil 315n haben
kann.
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Zusätzlich zu
den unabhängigen
Gasversorgungen besitzt der Gasströmungs-Regler 300 eine Vakuumpumpe 144,
ein Vakuumventil 140, ein Magnetventil 341 und
ein Manometer 52. Das Plasma-Behandlungssystem 10 reagiert
sehr empfindlich auf Änderungen
der Prozessparameter. Daher ist das Manometer 52 dicht
an der Kammer 12 angeordnet und ist mit der Kammer 12 durch
eine Rohrleitung 55 eines vorteilhaft großen Durchmessers,
z. B. einer Rohrleitung mit einem 1,27 cm (0,500 inch) Durchmesser
verbunden. Der Gasströmungs-Regler 300 besitzt
ferner das Ablassventil 54 und seinen Magnetventil 357,
um die Bearbeitungskammer 12 am Ende des Plasma-Bearbeitungszyklus
wieder auf atmosphärischen
Druck zu bringen. D. h., um den Druckausgleichs-Prozess zu minimieren,
ist das Ablassventil 54 normalerweise dicht an der Bearbeitungskammer 12 angeordnet
und besitzt eine relativ große
Strömungs-Verbindungsöffnung mit
der Bearbeitungskammer 12. Dadurch besitzt das Ablassventil 54 die
Fähigkeit,
die Bearbeitungskammer 12 in ungefähr 1 Sek. auf atmosphärischen
Druck zu bringen.
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Der
HF-Generator 302 enthält
eine HF Leistungsversorgung 318, die HF-Leistung an eine L-Netzwerk-Abstimmvorrichtung
bzw. ein Impedanz-Abstimmungsgerät 320,
z. B. ein Paar regelbarer Luftkondensatoren bzw. Drehplattenkondensatoren,
liefert. Die HF-Leistungsversorgung 318 arbeitet mit einer
Frequenz zwischen ungefähr
40 kHz und ungefähr
13,56 MHz, vorzugsweise mit ungefähr 13,56 MHz, und einer Leistung
zwischen ungefähr
0 Watt und ungefähr
300 Watt, vorzugsweise ungefähr 60
Watt bis ungefähr
150 Watt. Die HF-Leistung von den regelbaren Luftkondensatoren 320 und 324 wird über einen
Ausgang 328 dem Substratträger 64 (3)
in der Bearbeitungs-Kammer 12 zugeführt. Ein Phasenkondensator 320 besitzt
eine bewegbare Platte, die mit einem Motor 321 verbunden
ist und ferner einen Phasenregler 322, der ein analoges
Rückführungssignal
an einen Eingang 323 des Reglers 304 liefert.
Ein Amplituden-Kondensator 324 besitzt eine bewegbare Platte,
die mit einem Motor 325 verbunden ist und ferner einen
Phasen-Regler 326, der ein analoges Rückführungssignal an einen Eingang 327 des
Reglers 304 liefert. Der Regler 304 benutzt einen
bekannten PID-(Proportional-Integral-Differential-)Regelkreis, um
analoge Befehlssignale aus den Ausgängen 328 und 329 an
die zugeordneten Motore 321 und 325 zu liefern,
um die Platten der regelbaren Luftkondensatoren 320 und 324 in
bekannter Weise zu bewegen.
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Der
PID-Regelkreis der Erfindung verwendet einen Regel-Algorithmus,
der automatisch eine variable Verstärkung liefert, um die Leistungsfähigkeit
an den Grenzbedingungen zu verbessern. Die Stärke des Rückführungssignals am Eingang 323 liegt
im Bereich von –5
Volt bis +5 Volt; mit einem Regelsystem mit konstanter Verstärkung ist
eine präzise
und stabile Regelung des Systems schwierig, da sich die Stärke des
Rückführungssignals
dicht an oder durch den Nulldurchgang bewegt. Traditionell wird
die Verstärkung
auf einen festen Wert gesetzt, das ist ein Kompromiss zwischen dem,
was benötigt
wird, niedrige Signalpegel zu verarbeiten, und dem, was benötigt wird,
dass bei höheren
Signalpegeln keine Sättigung
in dem Regelsystem eintritt. Das Ergebnis ist im allgemeinen ein
beeinträchtigter
oder niedriger Pegel der Empfindlichkeit und der Leistungsfähigkeit
des Systems, d. h., die Zeit, die das Regelsystem benötigt, um
sich zu stabilisieren, ist länger.
Die Erfindung rekalkuliert und setzt dynamisch kontinuierlich einen Verstärkungswert
in Abhängigkeit
von der Signalstärke
des Rückführungssignals
am Eingang 323. Dadurch ist der PID-Kreis kritisch gedämpft, d.
h., er erreicht schnell einen stabilen Zustand mit einem minimalen Überschwingen.
In anderer Hinsicht funktioniert das Abstimmungs-Netzwerk 320 in
bekannter Weise eine Impedanz eines HF-Systems, das aus einem HF-Ausgang
der HF-Leistungsversorgung 318, dem Abgleichnetzwerk 320 und
der HF-Last, die durch den HF-Schaltkreis in der Bearbeitungskammer 12 repräsentiert
wird, besteht, auf einen gewünschten
Impedanz-Wert, z. B. 50 Ohm, abzugleichen.
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Wie
einzusehen ist, werden in Verbindung mit dem Betrieb der Bearbeitungskammer 12 zahlreiche
verschiedene End- oder Näherungs-Schalter 330 verwendet.
Z. B., werden Endschalter verwendet, um die Offen- bzw. Geschlossen-
Position des Kammerdeckels 14 (1) der Bearbeitungskammer 12 festzustellen
und ein Status-Rückführungssignal
an einen zugeordneten Eingang 331 des Reglers 304 zu
liefern. Diese Endschalter können
mit dem Deckelantrieb 122 (2C), der
den Deckel 14 betätigt,
verbunden sein, sie können
an dem Deckel 14 befestigt sein, oder sie können auf
andere Weise die Position des Deckels 14 ermitteln. Ein
Näherungsschalter
wird auch verwendet, um die gewünschte
Position eines Werkstückes 56 in
der Bearbeitungskammer 12 zu ermitteln. Zahlreiche un terschiedliche
Endschalter-Geräte
stehen handelsüblich
zur Verfügung,
die Magnetismus, mechanischen Kontakt, Licht usw. verwenden, um
die Nähe
oder die Position eines Objektes zu ermitteln. Die Wahl einer speziellen
Art handelsüblicher
Endschalter hängt
von der Anwendung und der Vorliebe des Konstrukteurs ab.
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Ein
Endpunkt eines Plasma-Bearbeitungszyklus kann auf verschiedene Weisen
festgestellt werden. Das erfindungsgemäße Plasma-Behandlungssystem besitzt eine sehr
hochwertige Regelung; daher ist der Plasma-Bearbeitungs-Zyklus leicht
reproduzierbar. Infolge dessen benutzt der Regler 304 des erfindungsgemäßen Plasma-Behandlungssystems normalerweise
einen internen Zeitmesser, um die Dauer des Plasma-Behandlungszyklus
zu messen. Bei einigen Anwendungen ist ein Endpunkt-Detektor 334 operativ
mit der Bearbeitungskammer 12 verbunden. Der Endpunkt-Detektor 334 ist
normalerweise ein photoelektrischer Schalter, der seinen Zustand in
Abhängigkeit
vom Detektieren einer gewünschten und
speziellen Wellenlänge
des Lichts des in der Bearbeitungskammer 12 erzeugten Plasmas ändert. Die
visuelle Verbindung zwischen dem Endpunkt-Detektor 334 und
dem Innenraum der Bearbeitungskammer 12 kann dadurch erreicht
werden, dass der Endpunkt-Detektor 334 durch das Sichtglas 34 (1)
gerichtet wird, oder dass der Endpunkt-Detektor 334 in
einer Öffnung
oder einem Loch (nicht dargestellt) in der Wand der Bearbeitungskammer 12 befestigt
wird. Die Erzeugung des Gasplasma in der Bearbeitungskammer 12 erzeugt
Licht. Ferner ändert sich
die Wellenlänge
dieses Lichtes mit der Zusammensetzung der verschiedenen in dem
Gasplasma in der Kammer 12 enthaltenen Materialien. Bei
einem Ätzverfahren
z. B., bei dem das Gasplasma verschiedene Materialien von der Oberfläche des
Werkstückes ätzt, ist
die Wellenlänge
des von dem Plasma erzeugten Lichtes eine Funktion einer Kombination des
Gasplasma und der Atome dieser Materialien. Nachdem alle Beschichtungen
und Verunreinigungen von der Oberfläche weg geätzt worden sind, entsteht durch
weiteres Ätzen
eine Kombination aus Atomen des Grund- bzw. Ursprungs-Materials des Werkstückes und
des Gasplasmas. Diese Kombination erzeugt ein Licht einer individuellen
Wellenlänge, die
von dem Endpunktdetektor 334 detektiert wird, worauf hin
der Detektor 334 auf einem Ausgang 336 ein binäres Rückführungs-Signal
an den Regler 304 liefert. Auf diese Weise ist der Regler 304 in
der Lage, wenn das Rückführungssignal
seinen Zustand ändert,
festzustellen, wann der Bearbeitungszyklus beendet ist.
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5 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Reglers 304 bei
der Durchführung
eines typischen Plasma-Bearbeitungs-Zyklus zeigt. Bei 602, wird
ein Werkstück-Ladezyklus
gestartet. Während dieses
Ladezyklus liefert der Regler 304 Befehlssignale an eine
Steuerung (nicht dargestellt) die den Positionierungshebel 94 veranlasst,
ein unbearbeitetes Werkstück 56 in
die Kammer 12 zwischen die Seitenschienen 78a und 78b zu
schieben. Wenn das Werkstück
in Position bewegt worden ist, detektiert einer der Endschalter 330 die
erreichte Ladeposition des Werkstückes 56 und liefert
an einem zugeordneten Ausgang 337 ein Zustands-Rückführsignal
an den Regler 304. Wenn bei der Kontrolle, bei 604,
eine Änderung
des Schalterzustands detektiert wird, die anzeigt, dass das Werkstück geladen
ist, liefert der Regler 304 ein Befehlssignal auf einem
Ausgang 337, ein Magnetventil 338 zu öffnen. Das
offene Magnetventil 338 leitet Druckluft von einer Druckluftquelle 340,
z. B. Werksdruckluft zu dem Deckelantrieb 122 in einer
Richtung, die den Deckelantrieb 122 veranlasst, den Deckel 14 in
seine Geschlossen-Position zu bewegen. Einer der Endschalter 330 detektiert
die Geschlossen-Position des Deckels 14, wechselt seinen
Zustand und liefert ein Zustands-Rückführungs-Signal an einen zugeordneten Eingang 331 des
Reglers 304.
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Wenn
die Deckel-Geschlossen-Position, bei 608, detektiert wird,
liefert der Regler 304, bei 610, über einen
Ausgang 342 ein Signal, das dem Magnetventil 341 befiehlt,
das Vakuumventil 140 zu öffnen. Gleichzeitig setzt der
Regler 304, bei 612, einen Drucksollwert gleich
PRProzess und startet eine Prozessdruck-Überwachung.
Normalerweise wird bei einem Plasma-Behandlungssystem vor dem Start eines
Plasma-Bearbeitungs-Zyklus die Kammer 12 auf einen gewünschten
und festen Teilvakuum-Druck evakuiert. Jedoch ist die Anfangs-Evakuierung
der Kammer 12 ein Zeit raubender Prozess. Anwender haben
festgestellt, dass hochqualitative Plasma-Bearbeitung innerhalb eines Druckbereiches
oberhalb und unterhalb eines normalerweise angewendeten Prozessdruckes
innerhalb der Kammer 12 durchgeführt werden kann. Der zulässige Druckbereich
wurde durch die Bearbeitung vieler Teile unter unterschiedlichen
Bedingungen in der Kammer 12 ermittelt. So wurde mit dem
Plasma-Behandlungssystem der Erfindung eine obere Druckgrenze, z.
B. von 0,33 hPa (250 mTorr) ermittelt, indem eine Druckabweichung
von z. B. 0,07 hPa (50 mTorr) zu dem normalerweise verwendeten Prozessdruck
z. B. 0,27 hPa (200 mTorr) addiert wurde. Ferner wurde eine untere Druckgrenze
von z. B. 0,2 hPa (150 mTorr) ermittelt, indem eine Druckabweichung
von z. B. 0,07 hPa (50 mTorr) von dem normalerweise verwendeten
Prozessdruck von 0,27 hPa (200 mTorr) abgezogen wurde. In diesem
Beispiel stellt das Drucküberwachungssystem
den normalerweise verwendeten Prozessdruck von 0,27 hPa (200 mTorr)
als Drucksollwert ein, aber das Drucküberwachungs-System löst keinen Alarm aus oder beeinflusst
in anderer Weise den Betrieb des Plasma-Behandlungsprozesses, solange
der Druck zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert von 0,33
hPa (250 mTorr) bzw. 0,2 hPa (150 mTorr) bleibt. Daher überwacht
der Regler 304, solange die Vakuum-Pumpe läuft, den
Eingang 348, der ein Druckrückführungssignal von dem Druckmesser 52 liefert.
Wenn der Regler 304 detektiert, dass die Kammer 12 auf
0,33 hPa (250 mTorr) evakuiert ist, wird das Gasplasma gestartet.
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Gleichzeitig
mit dem Starten der Drucküberwachung,
bei 612, liefert der Regler 304, bei 614, über die
Ausgänge 344 und 346 ein
Befehlssignal, die zugeordneten Durchflussmengen-Regler 312 zu aktivieren
und die zugeordneten Absperrventile 314 zu öffnen. Prozessgas
wird durch den Prozessgas-Eintrittsanschluss 190 mit einer
vorgegebenen Durchflussmenge, wie z. B. 5–100 Ncm3/min
für Ar, eingespeist.
Der von den Durchflussmengen-Reglern 312 vorgegebene Sollwert
der Durchflussmenge des Gases und die Fördermenge der Vakuumpumpe 144 werden
eingestellt, um einen Prozessdruck zu schaffen, der für die Plasma-Erzeugung
geeignet ist, so dass die nachfolgende Plasma-Bearbeitung aufrecht erhalten
werden kann. Die Bearbeitungsdrücke
in der Kammer 12 liegen typischerweise im Bereich von 0,07–1,33 hPa
(50–1000
mTorr) und vorzugsweise im Bereich von 0,17–0,33 hPa (125–250 mTorr).
Im Gegensatz zu dem Stand der Technik gemäßen Systeme wird die Bearbeitungskammer 12 kontinuierlich evakuiert
und gleichzeitig die Prozessgase eingespeist, die anfangs verwendet
wurden, die Umgebungsluft aus der Kammer 12 zu spülen. Bei
einer Ausführungsform
werden die Durchflussmengen-Regler 312 derart betrieben,
dass sie eine Durchflussmenge von 30 sccm (30 Ncm3/min)
in die Bearbeitungskammer 12 einspeisen, die ein Volumen
von ungefähr
0,50 Litern besitzt. Auf diese Weise beträgt der Frischgas-Wechsel in der Bearbeitungskammer 12 ungefähr 4 mal
pro sec. Traditionellere Plasma-Bearbeitungssysteme wechseln das Gas
in der Bearbeitungskammer ungefähr
1 mal pro 5 sec. Die höheren
Gasflussmengen des erfindungsgemäßen Systems
verbessern die Entfernung der Ätzmaterialien
und anderer Verunreinigungen aus der Bearbeitungskammer 12 und
minimieren ferner die Ablagerung von Ätzmaterialien an den Wänden und
an Werkzeugen innerhalb der Kammer 12.
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Der
Regler 304 überwacht
kontinuierlich das Rückführungssignal
an dem Eingang 348 von dem Druckmesser 52, der
kontinuierlich den Druck bzw. das Teilvakuum in der Bearbeitungskammer 12 misst.
Bei 616, prüft
der Regler 304, ob der Druck in der Bearbeitungskammer 12 gleich
einem Anfangsdruck ist, d. h., gleich dem normalerweise verwendeten
Bearbeitungsdruck plus dem Druckabweichungswert, der in dem o. g.
Beispiel 0,33 hPa (250 mTorr) ist. Der Regler 304 liefert
dann, bei 618, ein Befehlssignal an einem Ausgang 350,
das die HF-Leistungsversorgung 318 einschaltet. Anstelle
jedoch von der HF-Leistungsversorgung 318 volle Leistung
zu fordern, befiehlt der Regler 304 der HF-Leistungsversorgung,
nur einen minimalen Leistungspegel, z. B. 30 Watt zu liefern. Traditionelle
Plasma-Behandlungssysteme
führen
der Bearbeitungskammer 12 über das Abstimmungs-Netzwerk 320 von
Anfang an die volle Leistung zu. Die Erzeugung des Gasplasmas mit
voller Leistung ergibt oft Plasmaspitzen, Lichtbögen, Energieheißpunkte,
andere Anomalien und ein sehr unstabiles Gasplasma. Da ferner Änderungen
in dem Gasplasma zu einer unterschiedlichen HF-Last in der Bearbeitungskammer 12 führen, macht
es das unstabile Gasplasma für
das Abstimmungsnetzwerk 320 sehr schwierig, die Impedanz des
HF-Systems auf einen gewünschten
Wert abzugleichen. Durch die Erzeugung des Gasplasmas von Beginn
an mit voller HF-Leistung
wird folglich eine nennenswerte Zeitspanne verbraucht, um darauf zu warten,
dass sich das Plasma in der Bearbeitungskammer 12 stabilisiert
und danach das Abstimmungsnetzwerk 320 zu betreiben, bis
der gewünschte
Impedanz-Abgleich durchgeführt
ist. Bei dem erfindungsgemäßen Plasma-Behandlungs-System,
bei dem Anfangs eine niedrigere oder minimale Leistung, z. B. 30
Watt, zugeführt
wird, gestattet das System dem Plasma in der Kammer 12,
sich im Vergleich zu traditionellen Systemen sehr schnell zu stabilisieren.
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Nach
dem Einschalten der HF-Leistungsversorgung 318 mit minimalem
Leistungsniveau führt der
Regler 304, bei 620, eine 200-ms-Verzögerung durch.
Diese Verzögerungsperiode
gestattet es dem Plasma, sich bei dem minimalen Leistungs-Niveau zu
stabilisieren. Danach startet der Regler 304, bei 622,
einen automatischen Abstimmungszyklus bzw. eine automatische Abstimmungs-Regelung,
bei der die regelbaren Luftkondensatoren 324 benutzt werden,
um die HF-Impedanz des Ausgangs der HF-Leistungsversorgung 318 und
die HF-Impedanz des Eingangs der Bearbeitungskammer 12 auf
einen gewünschten
Impedanzwert abzugleichen, z. B. 50 Hz. Während dieses Prozesses werden
Analog-Rückführungssignale
von den Phasen-Reglern 322 und 326 an die zugeordneten
Eingänge 323 und 327 des
Reglers 304 geliefert. Der Regler 304 führt einen
PID-Regelkreis durch
und liefert an den Ausgängen 328 und 329 Befehlssignale,
die zugeordneten Motoren 321 und 325 zu betreiben,
so dass die regelbaren Luftkondensatoren 320 und 324 die
gewünschte
Impedanz-Abstimmung
einstellen.
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Dann
prüft der
Regler 304, bei 624, ob das Abstimmungs-Netzwerk 320 den
gewünschten
Impedanz-Abgleich erreicht hat. Wenn dies der Fall ist, beginnt
der Regler 304, bei 626, die Leistung von ihrem minimalen
Niveau auf ein maximales Niveau zu steigern; während die Leistung erhöht wird,
fährt der Regler 304,
bei 628, fort, das Abstimmungsnetzwerk 320 mit
jedem aufeinander folgenden Leistungsniveau zu betreiben. D. h.,
während
der Regler 304 die HF-Leistung von dem minimalen Leistungsniveau
auf das maximale Leistungsniveau hoch fährt, wird der regelbare Luftkondensator 320 kontinuierlich
justiert, so dass die der HF-Leistungsversorgung 318 vorgegebene
Impedanz mit der gewünschten
50 Ohm Last abgegli chen bleibt. Anwender haben festgestellt, dass,
wenn die Impedanz abgeglichen gehalten wird, während die HF-Leistung auf das
maximale HF-Leistungsniveau
hochgefahren wird, ein stabilisiertes Gasplasma bei voller Leistung
in geringerer Zeit erzielt wird, als wenn die HF-Leistungsversorgung 318 von
Anfang an auf ihr maximalen Leistungsniveau eingestellt würde und
die Impedanz-Abgleichsoperation ausgeführt werden würde.
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Es
sollte beachtet werden, dass während
die HF-Leistung auf ihr maximales Niveau gesteigert wird, die Prozessgase
mit ihren gewünschten
Strömungsmengen
durch die Bearbeitungskammer 12 strömen und die Vakuumpumpe 144 die
Bearbeitungskammer 12 kontinuierlich evakuiert. Wie im
vorangegangen beschrieben, wurde durch die Bearbeitung vieler Werkstücke unter
Verwendung unterschiedlicher Prozessparameter ein Betriebsdruck-Bereich
ermittelt. Unter Verwendung ähnlicher empirischer
Methoden wurde ebenfalls ermittelt, mit welcher max. Rate die HF-Leistung
erhöht
werden kann, während
ein abgeglichenes HF-System aufrecht erhalten wird; diese max. Rate
der HF-Leistungserhöhung
liefert einen reduzierten Plasma-Behandlungs-Zyklus.
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Wenn
der Regler 304, bei 630, festgestellt hat, dass
die HF-Leistung ihr maximales Niveau nicht erreicht hat, erhöht der Regler 304,
bei 628, wieder das Leistungsniveau und betreibt das Abstimmungs-Netzwerk 320,
um die Impedanz mit dem gewünschten
Wert abzugleichen. Wenn, bei 630, der Regler 304 feststellt,
dass die HF-Leistung nun ihren max. Wert erreicht hat, beginnt der
Regler 304, bei 632, einen Endpunkt des Plasma-Behandlungs-Zyklus
abzufragen, während
die HF-Leistung auf ihrem max. Wert verbleibt und der Plasma-Behandlungs-Prozess
fortgesetzt wird. Während
einer Plasma-Behandlungs-Operation werden Verunreinigungsspezies,
die von der Oberfläche
des Werkstückes 56 abgespritzt
sind, zusammen mit dem Prozessgasstrom aus dem Bearbeitungsraum 102 durch den
Vakuumanschluss 136 evakuiert. Das Plasma-Behandlungs-System 10 ist
optimiert, um sowohl die räumliche
Gleichmäßigkeit
der Plasma-Behandlung
als auch den Systemdurchsatz zu verbessern.
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Bei 634,
prüft der
Regler 304 den Zustand des Rückführungs-Signals am Eingang 352 von
dem Endpunktdetektor 334, um zu entscheiden, ob der Plasma-Bearbeitungs-Zyklus
beendet ist. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der Endpunkt
des Bearbeitungs-Zyklus von dem Endpunktdetektor 334 durch
die Erkennung einer bestimmten Wellenlänge des Plasmalichtes ermittelt
und durch ein dieses Ereignis repräsentierendes Signal an den
Regler 304 gemeldet. Es ist offensichtlich, dass durch
die Bearbeitung einer großen
Anzahl von Werkstücken
mit verschiedenen Bearbeitungs-Parametern der Zeitaufwand, der erforderlich
ist ein Werkstück
zu bearbeiten, ermittelt werden kann. Bei einer alternativen Ausführungsform
kann der Regler 304, bei 622, gleichzeitig mit
dem Start der automatischen Abstimmungsregelung einen internen Zeitschalter
starten. Der Zeitschalter ist auf die vorher empirisch ermittelte Zeitdauer
eingestellt, die erforderlich ist, ein Werkstück zu bearbeiten. Wenn der
interne Zeitschalter abgelaufen ist und damit ein Ende des Plasma-Bearbeitungs-Zyklus
anzeigt, detektiert der Regler 304, bei 634, den
Ablauf des Zeitschalters als Endpunkt des Plasma-Behandlungs-Zyklus.
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Wenn
der Regler 304, bei 634, den Zustand eines Endpunkt-Rückführungs-Signals an dem Eingang 352,
der ein Ende des Plasma-Behandlungs-Zyklus anzeigt, feststellt, liefert
der Regler 304, bei 636, an seinem Ausgang 350 ein
Befehlssignal, das die HF-Leistungsversorgung 318 veranlasst,
die HF-Leistung von ihrem maximalen Niveau auf ihr minimales Niveau
zu reduzieren. Normalerweise wird die HF-Leistung mit der gleichen
Geschwindigkeit und damit in einer identischen Zeitperiode von ihrem maximalen
Niveau auf ihr minimales Niveau reduziert, wie die Steigerung der
HF-Leistung von ihrem minimalen Niveau auf ihr maximales Niveau.
Wenn der Regler 304, bei 638, feststellt, dass
die HF-Leistungsversorgung 318 Leistung auf dem minimalen Niveau
liefert, stellt der Regler 304, bei 640, fest, dass
das HF-Versorgungs-System auf das minimale Leistungsniveau eingestellt
ist. Danach stellt der Regler 304, bei 642, die
automatische Abstimmungsregelung ab und führt eine 200-ms-Verzögerung durch,
die es dem Plasma gestattet, sich bei dem minimalen HF-Leistungsniveau
zu stabilisieren.
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Traditionelle
Plasma-Verarbeitungs-Zyklen stellen den HF-Generator am Ende eines
Bearbeitungs-Zyklus einfach ab, wobei das Abstimmungsnetzwerk in
einem Zustand ist, der einer maximalen Bearbeitungsleistung der
HF-Leistungsversorgung entspricht. D. h., wenn der nächste Zyklus
gestartet wird, der ein unterschiedliches Leistungsniveau benötigen kann,
ist einige Zeit erforderlich, um das Abstimmungsnetzwerk 320 auf
die Impedanz abzugleichen. Im Gegensatz dazu ist bei der Erfindung
das Abstimmungsnetzwerk am Ende eines Zyklus auf das minimale Leistungs-Niveau
eingestellt. Dadurch ist beim Start des nächsten Bearbeitungs-Zyklus, wenn
die HF-Leistungsversorgung 318 mit minimaler Leistung angestellt
wird, das Abstimmungsnetzwerk 320 in einem solchen Zustand,
dass der gewünschte Impedanz-Abgleich
bereits besteht, oder dass es schnell auf einen Abgleich abgestimmt
werden kann. Durch die Minimierung der Abstimmung des HF-Systems
können
Zyklus-Zeiteinsparungen bis zu 15 Sekunden erzielt werden.
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Als
nächstes
stoppt der Regler 304, bei 644, den Betrieb der
Drucküberwachung 52 und
liefert auf den Ausgängen 342 und 346 Befehlssignale,
die die zugeordneten Magnetventile 341 und 315 veranlassen,
das zugeordnete Vakuum-Ventil 140 und das zugeordnete Absperr-Ventil 314 zu
schließen.
Ferner liefert der Regler 304 an dem Ausgang 344 ein
Befehlssignal, um die Strömung
von Gasen durch die zugeordneten Durchflussmengen-Regler 312 zu
beenden. Zusätzlich
liefert der Regler 304 am Ausgang 356 ein Befehlssignal,
das das Magnetventil 357 veranlasst, das Ablassventil 54 zu öffnen und
dadurch die Bearbeitungskammer drucklos d. h. vakuumlos zu machen.
Bei 646, stellt der Regler 304 fest, dass der
Druck in der Bearbeitungskammer 12 weitgehend gleich dem
atmosphärischen
Druck ist. Diese Feststellung wird normalerweise von dem Regler 304 unter
Verwendung eines internen Zeitschalters getroffen, der eine Zeitperiode
misst, die erforderlich ist, um die Bearbeitungskammer 12 mit
dem Ablassventil 54 drucklos bzw. vakuumlos zu machen.
Danach liefert der Regler 304, bei 648, auf dem
Ausgang 337 ein Befehlssignal, das das Magnetventil 338 veranlasst,
seinen Zustand zu wechseln und die Arbeitsrichtung des Deckelantriebes 122 umzukehren.
Danach stellt der Regler 304, bei 650, fest, dass
der Deckel 14 in seine Offen-Position geschwenkt ist und startet
einen nachfolgenden Werkstücklade-Zyklus 602.
Der oben beschriebene Prozess wird dann für nachfolgende Werkstücke wiederholt.
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6 und 7 zeigen
eine alternative Ausführung
der Bearbeitungskammer 12, die den Prinzipien der Erfindung
entspricht und die einen in der Breite verstellbaren Substratträger 260 besitzt.
Der Substratträger 260 gestattet
es vorteilhaft, Werkstücke
unterschiedlicher Dimensionen aufzunehmen. Gemäß 6 besitzt
der Substratträger 260 eine
erhöhte
Platte 262, die gleitend zwei verfahrbare einander gegenüber liegende
Seitenschienen 264 und 266 und eine ebene Platte 267 trägt, die
durch die von jedem elektrischen Zuganker 212 abwärts aufgebrachte
Kraft auf der Bodenelektrode 202 aufgesetzt ist. Die erhöhte Platte 262 ist
mittels mehrerer Befestigungselemente mechanisch und elektrisch
an der ebenen Platte 267 befestigt. Wie durch die Pfeile 268 und 270 dargestellt,
sind die Seitenschienen 264 und 266 zwischen einer
extremen Position nahe des Umrisses der erhöhten Tragplatte 262 und
einer zentralen Position entlang der Mittellinie der erhöhten Tragplatte 262 verschiebbar.
Dadurch kann der trennende Abstand zwischen den Seitenschienen 264 und 266 geändert werden,
um ein Werkstück 272 einer
vorgegebenen Breite aufzunehmen.
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Die
Seitenschiene 264 und die Seitenschiene 266 sind
identische Strukturen, die mit Bezug auf die Seitenschiene 266 beschrieben
werden. Gemäß 7 besitzt
die Seitenschiene 266 ein horizontales Element 274,
das an jedem einander gegenüber
liegenden Ende von einer integrierten vertikalen Stütze 276 flankiert
wird. Ein Kanal 278 erstreckt sich in Längsrichtung entlang der gesamten
Länge des
horizontalen Elementes 274; er besitzt einen U-förmigen Querschnitt
mit einer vorgegebenen Breite, das die Umrisskanten des Werkstückes 272 aufnimmt.
Jedes gegenüber
liegende Ende des Kanals 278 besitzt eine Öffnungslippe 280,
das eine gleitenden Einführung
der Seitenkanten des Werkstückes 272 ermöglicht.
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Jede
vertikale Stütze 276 besitzt
eine obere Zinke mit einer Gewindebohrung zur Aufnahme einer Feststellschraube 286 und
eine abgeschrägte
untere Zinke 288. Die Unterseite der oberen Zinke 282 ist mit
vertikalem Abstand von der Oberseite der unteren Zinke 288 angeordnet,
so dass ein Einschnitt 290 gebildet wird, der eine Breite
besitzt, die geringfügig kleiner
ist als die Dicke der erhöhten
Platte 262. Der Einschnitt 290 nimmt gleitend
eine Umrisskante der erhöhten
Platte 262 auf. Demgemäß kann jede
Seitenschiene 264 und 266 unabhängig voneinander
in eine vorgegebene Querposition bewegt werden und mit der Feststellschraube 286 fixiert
werden.
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6. Zusammenfassung
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Das
hier beschriebene Plasma-Behandlungssystem gewährleistet einen außergewöhnlich wirksamen,
hoch qualitativen und wiederholbaren Plasma-Behandlungsprozess.
Zum ersten wird das Plasma beim Anstellen des HF-Systems mit einer
geringeren Leistung in kürzerer
Zeit gestartet und stabilisiert, als wenn das Plasma mit voller
HF-Leistung gestartet werden würde.
Zusätzlich
wird beim Ab- und Anstellen mit geringerer Leistung sehr wenig Zeit für die anfängliche
Abstimmung des HF-Systems gebraucht, z. B. 1 Sekunde. Bei traditionellen
Systemen können
bis zu 15 Sekunden für
die Anfangsabstimmung des Systems erforderlich sein. Ferner initiiert das
Plasma-Behandlungssystem der Erfindung frühzeitig eine Strömung von
Prozessgasen an einer oberen Druckgrenze bevor die Bearbeitungskammer auf
einen normalen Prozessdruck evakuiert worden ist. Außerdem wird
die Bearbeitungs-Zykluszeit ohne Beeinträchtigung der Plasma-Behandlungs-Qualität minimiert.
Zusätzlich
gestattet das Plasma-Behandlungs-System
der Erfindung, den Druck in der Bearbeitungskammer innerhalb eines
breiten Druckbereiches zu variieren, ohne den Behandlungsprozess
zu unterbrechen, oder ohne einen Qualitätsverlust. Das hier beschriebene
Plasma-Behandlungs-System betreibt die Vakuumpumpe während des
gesamten Plasma-Behandlungs-Zyklus kontinuierlich zur Förderung
von Prozessgasen, so dass der Prozessdruck aufrecht erhalten wird,
aber die Prozessgasströme
bis zu einer Größenordnung
größer sind
als in bekannten Systemen. Solche Ströme minimieren die Verunreinigungen
und die Ablagerung von Material auf Komponenten innerhalb der Bearbeitungskammer.
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Das
Plasma-Behandlungs-System der Erfindung besitzt eine Vakuum-Streuplatte, die
zwischen dem Werkstück
und dem Vakuumanschluss angeordnet ist, und die gleichförmige, symmetrische
Strömungslinien
des Prozessgases über
die Oberfläche eines
Werkstückes,
das plasmabehandelt wird, gewährleistet.
Die weitgehend gleichförmige
Zuführung von
Prozessgas verbessert die Gleichförmigkeit der Plasmadichte.
Wenn die Vakuum-Streuplatte aus einem keramischen Material besteht,
begrenzt sie ferner den Teil des Verarbeitungsraumes in der Vakuumkammer,
in der das Plasma erzeugt wird. Die Volumenreduktion reduziert in
vorteilhafter Weise die Plasma-Erregungsleistung, die erforderlich
ist, ein Plasma zu erzeugen und aufrecht zu erhalten und fokussiert
die Leistung auf das Werkstück.
Ferner besitzt das Plasma-Behandlungs-System der Erfindung ein Gasverteilungssystem,
das Prozessgas durch eine Reihe von Öffnungen verteilt, die symmetrisch gegenüber einer
Oberfläche
des Werkstückes
angeordnet sind. Die gleichmäßige Gaszuführung verbessert
die Gleichförmigkeit
der Plasmadichte. Das Plasma-Behandlungs-System der Erfindung besitzt
eine Werkstück-Halterung,
die das Werkstück äquidistant und
symmetrisch zwischen der Leistungselektrode und der geerdeten Elektrode
hält. Eine
solche Positionierung verbessert die Gleichförmigkeit der Plasmadichte und
bündelt
die elektrischen Feldlinien, so dass sie weitgehend senkrecht zu
der Oberfläche des
Werkstückes
verlaufen. Zusätzlich
besitzt das Plasma-Behandlungs-System
der Erfindung eine Scharnierkupplung mit einem unrunden Lager, das die
Bewegung des Kammerdeckels beim Schließen in weitgehend vertikale
Richtung relativ zum Kammerunterteil begrenzt, wenn in der Vakuum-Kammer
ein Vakuumdruck entsteht. Zusätzlich
zur Verbesserung der Vakuumdichtung zwischen dem Kammerdeckel und
dem Kammerunterteil wird dadurch die Lebensdauer des Dichtungselementes
zwischen dem Kammerdeckel und dem Kammerunterteil durch die Verhinderung
von seitlichen Relativbewegungen verlängert.
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In
ihrer Kombination gewährleisten
die oben genannten Eigenschaften des hier beschriebenen Plasma-Behandlungs-Systems
schnelle Prozess-Zyklus-Zeiten
und eine größere Produktivität, als dem Stand
der Technik gemäße Maschinen.
Z. B. liegen Plasma-Bearbeitungszeiten des erfindungsgemäßen Plasma-Behandlungs-Systems
in einem Bereich von unge fähr
8 Sekunden bis ungefähr
30 Sekunden. Dagegen liegen Plasma-Bearbeitungszeiten dem Stand der Technik
gemäßer Systeme
in einem Bereich von ungefähr
2 bis ungefähr
10 Minuten. Ferner wird die Bearbeitungsqualität wesentlich verbessert. Z.
B. wird bei dem Stand der Technik gemäßen Plasma-Bearbeitungs-Zyklen
in einer Großserien-Fertigung
unter Verwendung eines Kontaktwinkelmessgerätes üblicherweise eine Oberflächenreinheit und/oder
Oberflächen-Beladung
mit einem Kontaktwinkel von 30° als
akzeptabel betrachtet. Ferner erreichen dem Stand der Technik gemäße Plasma-Bearbeitungs-Systeme
eine Oberflächen-Reinheit und/oder
Oberflächen-Beladung
als Kontaktwinkel gemessen von ungefähr 22° bis ungefähr 30°. Mit dem erfindungsgemäßen Plasma-Behandlungs-System kann in einer
Großserien-Fertigung
ein Kontaktwinkel von 12° +/– 2° über die
gesamte Fläche
des Werkstückes
aufrecht erhalten werden. Ferner ist diese hohe Qualität zu über 99%
reproduzierbar.
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Obwohl
die Erfindung anhand einer Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
dargestellt worden ist und obwohl diese Ausführungsformen in beträchtlichem
Detail beschrieben worden sind, ist es nicht die Absicht der Anmelder,
den Umfang der anhängenden
Ansprüche
in irgend einer Weise auf solche Details zu beschränken. Zusätzliche
Vorteile und Modifikationen werden den mit dem Stand der Technik
Vertrauten leicht offensichtlich sein. Die Erfindung ist daher in
ihren umfangreicheren Erscheinungsformen nicht auf die dargestellten und
beschriebenen spezifischen Details, repräsentativen Vorrichtungen und
Verfahren beschränkt.
Demgemäß können Abweichungen
von solchen Details vorgenommen werden, ohne von dem Umfang des erfindungsgemäßen Konzeptes
der Anmelder abzuweichen. Der Umfang der eigentlichen Erfindung
soll nur durch die anhängenden
Ansprüche
definiert sein.