EP0972431A2

EP0972431A2 - Teilchenmanipulierung

Info

Publication number: EP0972431A2
Application number: EP98919213A
Authority: EP
Inventors: Gregor Morfill; Hubertus Thomas; Timo Stuffler
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Kayser Threde GmbH
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Kayser Threde GmbH
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2000-01-19
Anticipated expiration: 2018-04-02
Also published as: EP0972431B1; JP2001518230A; WO1998044766A2; DE19713637C2; WO1998044766A3; DE19713637A1; US6517912B1; DE59813144D1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Manipulierung von Teilchen, die in einem plasmakristallinen Zustand in einem Plasma eines Trägergases angeordnet sind, werden die Teilchen mindestens teilweise einer Plasmabehandlung unterzogen und/oder auf einer Substratoberfläche aufgetragen. Eine Vorrichtung zur Manipulierung von Teilchen im plasmakristallinen Zustand umfaßt ein Reaktionsgefäß, in dem Plasmaelektroden und mindestens ein Substrat angeordnet sind. Es wird eine adaptive Elektrode zur ortsselektiven Ausbildung eines niederfrequenten oder statischen elektrischen Feldes im Reaktionsgefäß beschrieben.

Description

Teilchenmanipulierung

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

Es st bekannt, daß sich mikroskopische feste Teilchen in einem Plasma in einer makroskopisch regelmäßigen Anordnung als sogenannter Plasmakristall ausrichten können. Die Eigenscnaf- ten von Plasmakristallen werden beispielsweise von H. Thomas et al. in "Phys. Rev. Lett." Band 73, 1994, Seite 652, ff., oder von H. Thomas & G. E. Morfill in "Nature" Band 379, 1996, Seite 806, ff., beschrieben.

Eine quantitative Beschreibung von Plasmakristallen auf der Grundlage molekular-dynamischer Simulationen von Yukawa- Systemen und eine Abgrenzung gegenüber "flussigen" Zustanden wird von S. Hamaguchi et al . in "Physical Review E", Band 56, 1997, S. 4671 ff, beschrieben. Diese Publikation wurde nach dem Prioritatstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht. Die Abgrenzung zwischen einem plasmakristallmen und einem nicht-plasmakristallinen (z. B. flussigen) Zustand erfolgt auf der Grundlage eines Phasendiagramms, dessen Abszisse durcn einen dimensionslosen Parameter K als Quotient aus dem ladungsab- hangigen Abstand der Partikel und der sogenannten Debye-Lange und dessen Ordinate durch einen Parameter T gebildet wird, der dimensionslos die Coulomb-Wechselwirkung der Teilchen beschreibt. Da die Abszissen- und Ordinatenparameter abhangig von den Betriebsparametern des Plasmas sind, können somit Zustandsanderungen der Plasmazustande der Teilchen durch Änderungen der Betriebsparameter erzielt werden.

Wichtige Gesichtspunkte der Plasmakristallbildung werden im folgenden unter Bezug auf eine herkömmliche Anordnung zur Ausbildung eines Plasmakristalls gemäß Fig. 14 erläutert.

Em Gas umfaßt im Plasmazustand, der beispielsweise durch eine Glimm- oder Gasentladung erzeugt wird, verschiedenartig geladene Teilchen, wie positiv oder negativ geladene Ionen, Elektronen und Radikale, aber auch neutrale Atome. Befinden sich n dem Plasma mikroskopische Teilchen (Größenordnung μm) , zum Beispiel Staubteilcnen, so werden diese elektrisch aufgeladen. Die Ladung kann in Abhängigkeit von der Teilchengroße und den Plasmabedingungen (Gasart, Plasmadichte, Temperatur, Druck etc.) einige Hunderttausenα Elektronenladungen erreichen. Bei geeigneten Teilcnen- und Plasmabedingungen bilden sich zwischen den geladenen Teilchen Coulomb-Krafte aus, unter deren Wirkung die Teilchen den p_asmakrιstallmen Zustand als zwei- oder dreidimensionale Anorαnung einnehmen. Dabei spielt neben den Coulomb-Kraften auch e n Energieentzug von den Teilchen durch Zusammenstoße mit neutralen Atomen im Plasma eine Rolle.

Eine Anordnung zur Ausbildung von Plasmakristallen ist beispielhaft in Fig. 14 gezeigt (siehe auch die oben angegebene Veröffentlichung Phys . Rev . Lett.) . In einem Reaktor (Gefäßwände nicht dargestellt; mit einem Tragergas s nd zwei ebene Entladungselektroden übereinander angeordnet. Die untere kreis- oder scheibenförmige HF-Elektrode 11 wird mit einer Wechselspannung angesteuert, die obere, ringförmige Gegenelektrode 12 ist z. B. geerdet. Der Elektrodenabstand betragt rd. 2 cm. Eine Steuerschaltung 13 ist dazu eingerichtet, den HF- Generator 14 mit der HF-Elektrode 11 zu verbinden und die Er- dungs- und Trennscnaltung 15 der Gegenelektrode 12 anzusteuern. Die Hochfrequenzenergie kann beispielsweise mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von rd. 5 W eingekoppelt werden. Das Tragergas wird durch Edelgase oder reaktive Gase bei einem Druck von ca. 0.01 - 2 mbar gebildet. Über einen (nicht dargestellten) Staubdispensor werden Staub- teilchen m den Reaktor eingebracht. Die Staubteilchen ordnen sich als Plasmakristall in einem Gleichgewichtszustand an, in dem die auf die Teilchen wirkende Gravitationskraft G mit der elektrischen Feldkraft E ausgeglichen ist, die durch e Gleichspannungsfeld in der Nahe der HF-Elektrode 11 auf die Staubteilchen in Abhängigkeit von deren Ladung ausgeübt wird. Handelt es sich um eine monodisperse Staubgroßenverteilung, so erfolgt die Plasmakristallanordnung entweder als Monoschicht in einer Ebene, oder als mehrschichtiger Zustand bei Ausbildung 3-dιmensιonaler Plasmakristalle. Der Plasmakristall ist unter Beleuchtung bis zu einer Teilchengroße von rund 1 μm mit dem bloßen Auge erkennbar. Die Sichtbarmachung des Plasmakristalls wird durch einen seitlich angeordneten Helium-Neon- Laser 16 verbessert, dessen Strahl mit einer Zyl derlmsen- kombination 16a auf die Große der lateralen Kristallausdehnung mit einer Dicke von rd. 150 μm aufgefächert w rd. Die Beobachtung des Plasmakristalls erfolgt mit einer CCD-Kamera 17, die mit einer vergrößernden Makrooptik 18 versehen und durch eine Bildverarbeitung 19 angesteuert wird, die auch mit dem Laser 16 Verbindung steht.

Das Verhalten von mikroskopischen Teilchen m Plasmen ist von nohem theoretischem und praktischem Interesse. Das theoretische Interesse bezieht sich insbesondere auf die Plasmakristalle und deren Zustandsanderungen. Das praktische Interesse leitet sich daraus ab, daß Plasmareaktoren, die bei Beschich- tungs- oder Bearbeitungsverfahren (insbesondere der Halb- leitertechnik) eingesetzt werden, einen Elektrodenaufbau gemäß Fig. 14 besitzen.

Bei bisherigen Anordnungen zur Untersuchung von Plasmakristal- len waren die Mittel zur Beeinflussung der Plasmakristalle auf die Art der verwendeten Teilchen und die realisierten Plasma- bedmgungen beschrankt. Em Mittel zur gezielten und ortsselektiven Handhabung von Plasmakristallen ist bisher nicht ver- fugbar, so daß bisher auch keine praktische Verwendung für Plasmakristalle bekannt war.

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

Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, 2 oder 12 bzw. Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 13 oder 17 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Patentansprüchen.

Die Erfindung beruhe auf den folgenden grundlegenden Erkenntnissen. Die Eigenscnaften eines Plasmakristalls, insbesondere die geometrische Form, hangt nicht nur von Eigenschaften des Plasmas bzw. der Teilchen ab. Vielmehr ist es möglich, die Gestalt eines Plasma <rιstalls , insbesondere die Form der äußeren Umrandung oder die Querscnn ttsform durch eine ortsselektive Beeinflussung des ooengenannten Gleichgewichts zwischen Gravitationskräften und elektriscnen Kräften zu modifizieren. Hierzu werden die äußeren Kräfte, die auf die Teilchen einwirken, zum Beispiel durch eine ortsabhangige Veränderung eines statischen, quasistatiscnen oder niederfrequent veränderlichen elektrischen Feldes zwischen den Elektroden eines Plasmareaktors, durch eine ortsselektive Teilchenentladung oder durch eine ortsselektive Teilchenbestrahlung variiert (Einwirkung von Verstellkraften) . Auf diese Weise lassen sich Teilchen im Plasma auf beliebigen gekrümmten Flachen mit beliebigen Umrandungen in einem plasmakristall en Zustand anordnen. Die Teilchen im Plasma lassen sich somit in vorbestimmter Weise bewegen, wobei diese Bewegung reversibel ist, so daß der plasma- kristallme Zustand sogar zwischen verschiedenen Gestalten um- stellbar ist .

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

Ferner besteht em wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung darin, daß die Ausbildung eines plasmakristallmen Zustands durch die Anwesenheit eines Substrats in einem Plasmareaktor, insbesondere zwischen Reaktorelektroden zur Ausbildung einer Glimm- oder Gasentladung, unbeeinflußt ist. Es ist insbesondere möglich, die oben genannten Umstellvorgange unmittelbarer Nahe eines flachigen, ebenen oder gekrümmten Substrats durchzufuhren und anschließend den Abstand zwischen den Teilchen im plasmakristallmen Zustand und der Substratoberflache derart zu verringern, daß mindestens e vorbestimmter Teil der Teilchen auf die Substratoberflache aufgetragen werden. Die Abstandsverrmgerung kann entweder durch Beeinflussung der Feldkrafte, die die Teilchen m Position halten, oder durch Bewegung der Substratoberflache erfolgen. Somit können Partikel im plasmakristallmen Zustand in beliebig gestalteten Mustern auf Substratoberflachen abgeschieden werden. Damit stellt die Erfindung ein neuartiges ortsselektives, maskenfreies Beschichtungsverfahren bereit, mit dem modifizierte Oberflachen erzeugt werden. Aufgrund der aufgetragenen Teilchen besitzen die modifizierten Oberflachen veränderte elektronische, optische und/oder mechanische Eigenschaften. Es ist aber auch möglich, die ortsselektiv aufgetragenen Teilchen selbst zur Maskierung oder Konditionierung der Substratober- flache vor einem nachfolgenden weiteren Beschichtungsschπtt zu verwenden.

Eine erfmdungsgemaße Vorrichtung zur Manipulierung von Teilchen im plasmakristallmen Zustand umfaßt em Reaktionsgefaß , das Mittel zur Ausbildung eines Plasmas und mindestens em Substrat enthalt. Die Mittel zur Ausbildung des Plasmas werden vorzugsweise durch flächige, im wesentlichen parallele Elektroden gebildet, in deren Zwischenraum das Substrat beweglich ist. Die Elektroden im Reaktionsgefaß können feldformende Strukturen zur ortsselektiven Beeinflussung der Teilchen im plasmakristallmen Zustand aufweisen. Im Reaktionsgefaß können ferner Mittel zur ortsselektiven Teilchenentladung (z.B. UV- Belichtungsmittel mit einer Maskierungseinrichtung) , Mittel zur Ausübung eines Strahlungsdruckes auf die Teilchen, Beob- achtungsmittel und Steuermittel enthalten sein.

Em besonderer Gesichtspunkt der Erfindung ist die Gestaltung der Elektroden zur ortsse ektiven Beeinflussung der Teilchen im Reaktionsgefaß . Erf dungsgemaß wird eine Elektrodeneinrichtung (oder: aoaptive Elektrode) angegeben, die eine Vielzahl von Elektrodensegmenten aufweist, die simultan mit einer Hochfrequenzspannung und jeweils einzeln mit einer spezifischen Gleichspannung oder Niederfrequenzspannung beaufschlagt sind. Die Hochfrequenzspannung ist dazu eingerichtet, einen Plasmazustand im Peaktionsgefaß zu erzeugen bzw. aufrechtzuerhalten, wahrend die Gleich- bzw. Niederfrequenzspannung dazu eingerichtet ist, im Reaktionsgefaß eine statische oder langsam veränderliche Feldverteilung zu erzeugen, unter deren Wirkung sich die Teilchen im Reaktionsgefaß anordnen oder bewegen. Weitere wichtige Merkmale der adaptiven Elektrode sind die Ausbildung einer aus miniaturisierten Elektrodensegmenten (Punktelektroden) gebildeten Matrixanordnung, die Gestaltung der Matrixanordnung als im wesentlichen ebenes, schichtforanges Bauteil, dessen Elektrodenseite zum Reaktionsgefaß hm- weist und dessen Ruckseite eine Steuerelektronik tragt, die Druckentlastung des Bauteils z. B. durch Ausbildung eines Unterdruckes in dem Raum, zu dem die Ruckseite der Elektrodeneinrichtung weist, und die Bereitstellung einer Temperiereinrichtung für die Steuerelektronik .

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

Fig. 1 e ne schematische Seitenansicht einer erfmoungsgema- ßen Anordnung zur Manipulierung von Teilchen in einem plasmakristallmen Zustand;

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

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Plasmakristalls im freien bzw. adsorbierten Zustand zur Illustration der erfmdungsgemaßen Beschichtungs- technik;

Fig. 4 eine schematische Illustration einer erf dungs- gemaßen Elektrodengestaltung zur Manipulierung von Plasmakristallen, und Beispiele einer ortsselektiven Substratbeschichtung;

Fig. 5 eine Explosionsdarstellung eines mit einer erfin- dungsgemaßen adaptiven Elektrode versehenen Reaktionsgefaßes ;

Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine adaptive Elektrode gemäß Fig. 5 ;

Fig. 7 eine schematische Perspektivansicht einer Subemheit der in den Figuren 5 und 6 dargestellten adaptiven Elektrode mit der zugehörigen Schaltelektronik;

Fig. 8 eine Blockdarstellung zur Illustration der Steuerelektronik einer erfmdungsgemaßen adaptiven Elektrode;

Fig. 9 eine schematische Illustration eines weiteren Beispiels einer ortsselektiven Substratbeschichtung;

Fig. 10 eine Darstellung zur Illustration eines weiteren

Beispiels einer ortsselektiven Substratbeschichtung;

Fig. 11 eine schematische Draufsicht auf eine modifizierte

Anordnung zur Manipulierung von Plasmakristallen und em weiteres Beispiel einer ortsselektiven Substratbeschichtung;

Fig. 12 e ne schematische Illustration einer Substratbeschichtung mit sogenannten Bucky Tubes;

Fig. 13 eine schematische Draufsicht auf e ne weitere Ausfuhrungsform einer erfmdungsgemaßen Anordnung zur Manipulierung von Plasmakristallen; und

Fig. 14 eine schematische Perspektivansicht eines herkömmlichen Reaktors zur Bildung von Plasmakristallen (Stand der Technik) .

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Plasmaanordnung beschrieben, d e als Reaktionsgefaß einen Reaktor umfaßt, dessen Aufbau in Bezug auf die Plasmaerzeugung und die Plasma- kristallbeobachtung im wesentlichen dem herkömmlichen Aufbau entspricht, wie er oben unter Bezug auf Fig. 14 beschrieben wurde. Es ist dem Fachmann jedoch verständlich, daß auch an- ders aufgebaute Reaktoren verwendet werden können, soweit sie zur erfmdungsgemaßen Manipulierung von Teilchen im plasmakristallmen Zustand eingerichtet sind.

Die schematische Seitenansicht einer Anordnung zur Manipulierung von Plasmakristallen gemäß Fig. 1 zeigt eine HF-Elektrode 11, eine geerdete Gegenelektrode 12, eine Steuereinrichtung 13, einen HF-Generator 14, eine Schalteinrichtung 15, eine Be- obachtungslichtquelle 16 mit einer Zylmderlmsenanordnung 16a, em Beobachtungsmittel in Form einer CCD-Kamera 17 mit einer Vergroßerungsoptik 18 und einer zugehörigen Steuereinrichtung 19. Bei sehr kleinen (< 100 nm) Teilchen wird em anderes Beobachtungsmittel erforderlich (z.B. unter Verwendung der Braggstreuung) . Em Staubdispensor 21 mit einem Reservoir 22, einer Konditionierungsemnchtung 23 und einem Einlaßmittel 24 ist dazu eingerichtet, Teilchen den Raum zwischen der HF-Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 einzubringen. Die Konditionierungsemnchtung 23 kann beispielsweise eine Vorladungseinrichtung für die Teilchen enthalten.

Die erfmdungsgemaße Anordnung umfaßt ferner em Substrat 30, das mit einer Versteileinrichtung 30 in alle Raumrichtungen beweglich ist. Figur 1 zeigt nicht die Wandung des Reaktions- gefasses, die einen geschlossenen Raum für das Tragergas bildet und vakuumdicht die Elektroden 12, das Substrat 30 und Teile der Teilchenzufuhremrichtung einschließt. Die Wandung kann ferner Fenster zur Strahlungsem- bzw. -auskopplung aufweisen .

Figur 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf Teile der erf - dungsgemaßen Anordnung gemäß Fig. 1, nämlich die HF-Elektrode 11 und das Substrat 30 mit der Versteileinrichtung 31. Zusätzlich ist eine in Fig. 1 nicht gezeigte Entladeemrichtung 24 dargestellt, die zur ortsselektiven Entladung von Teilchen im plasmakristallmen Zustand eingerichtet ist. Beim dargestell- ten Beispiel umfaßt die Entladeemrichtung 24 eine UV- Lichtquelle 25 und em Abbildungs- und Maskierungssystem 26, mit dem Teile des Plasmakristalls bestrahlt und unter Wirkung der UV-Strahlung entladen werden können.

Im folgenden wird eine erste Ausfuhrungsform der erf dungsgemaßen Verfahrensweise zur Manipulierung der Teilchen im Plasma unter Bezug auf die Figuren 1 und 2 erläutert.

Im (nicht dargestellten) Reaktionsgefaß , insbesondere zwischen den HF- und Gegenelektroden, die als Entladungselektroden wirken, wird in einem Tragergas em Plasma gezündet. E besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß an die Art des Tragergases keine besonderen Anforderungen zu stellen sind. Die Plasmabedingungen (Art und Dichte des Gases, HF- Leistung, Frequenz, Druck etc.) können vom Fachmann entsprechend den Bedingungen der Plasmaanordnung und den gewünschten Kristallei- genschaften ausgewählt werden. Das können beispielsweise auch Niederenergie-Argonentladungen oder Silanentladungen unter den Bedingungen, wie sie bei der Plasmaabscheidung in der Halblei- tertechnologie benutzt weroen. Der Einsatz eines reaktiven Gases wie z.B. Silan ist für weitere Behandlungsschritte am Plasmakristall von Vorteι_ . Die Energie der Ionen m Plasma entspricht im wesentlichen der Gastemperatur. Diese wird durch die Entladungsbedingungen und gegebenenfalls durch eine äußere Kuhleinrichtung bestimmt. So kann beispielsweise in einer er- fmdungsgemaßen Anordnung eine (nicht dargestellte) Stick- stoffkuhlung vorgesehen sein.

Über den Staubdispensor 21 werden die zu manipulierenden Teilchen in den Elektrodenraum eingebracht. Die Teilchengroße liegt im Bereicn von 20 nm bis 100 μm. Die Untergrenze der Teilchengroße wird durch die Druckbedingungen im Reaktionsge- faß und über die Aufladung festgelegt. Die Teilchen müssen so schwer sein, daß im plasmafreien Zustand die Teilchen unter Wirkung der Schwerkraft eine vertikale Bewegung ausfuhren und nicht im Schwebezustand verbleiben. Die Obergrenze der Teil- chengroßen wird durch die sogenannte Debye-Lange zwischen den benachbarten Teilchen festgelegt. Die Debye-Lange steigt proportional zur Wurzel der Plasmatemperatur bzw. umgekehrt proportional zur Wurzel der Plasmadichte. Em weiterer besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß neben den Großenan- forderungen an die zu manipulierenden Teilchen keine weiteren Einschränkungen in Bezug auf die Form oder das Material der Teilchen bestehen. Es sind beliebige, z.B. runde, nadelformi- ge, rohrformige oder plattchenformige Teilchen verwendbar. Die Teilchen müssen fest sein bzw. eine genugende Formstabilitat unter den Plasmabedmgungen besitzen. Es wird vorzugsweise em Material verwendet, das im interessierenden Teilchengroßenbe- reich besondere elektrische oder optische Eigenschaften besitzt. Es kann auch em Material verwendet werden, das eine Zusammensetzung aus verschiedenen Substanzen, z.B. organischen Stoffen, ist.

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

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

Die hier beispielhaft gegebenen Dimensionen andern sich bei veränderten Elektrodenparametern (Elektrodendurchmesser, Elektrodenabstand, Spannungswerte) entsprechend. Der Elektrodendurchmesser kann beispielsweise im Bereich von wenigen Zentimetern bis 60 cm und der Elektrodenabstand kann im Bereich von 1 cm bis 10 cm liegen. Es werden vorzugsweise solche Elektrodenparameter ausgewählt, die mit verfugbaren und CVD-Reaktoren kompatibel sind.

Das Substrat 30 ist zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Plasmakristall 10 angeordnet. Auch in Bezug auf das Substratmate- rial und die Substratform bestehen vorteilhafterweise keine Beschrankungen. Es kann insbesondere sowohl em leitfahiges als auch em nicht-leitfahiges Substrat verwendet werden, ohne daß die Bedingungen für die Plasmakristallbildung sich verandern .

Bei einem erfmdungsgemaßen Verfahren zur Manipulierung von Teilchen erfolgt zunächst eine Einstellung der Teilchen in einer Behandlungsposition . Diese Behandlungsposition kann dem Gleichgewichtszustand bei Endung des Plasmakristalls nach Einfuhrung der Teilcnen m den Reaktor entsprechen. Es ist aber auch möglich, den Plasm -ristall 10 zu bewegen, insbesondere die Relativposition m Bezug auf die Elektroden oder das Substrat zu andern. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Änderung der Plasmabedmgungen. So kann durch eine Änderung der Tragergasdichte eine Änderung der Teilchenladung und somit eine Änderung des Gleichgewichtszustands zwischen Gravitationskraft und elektriscner Kraft erzielt werden. Entsprechendes gilt bei Änderung der negativen Vorspannung der HF-Elektrode oder bei einer äußeren Entladung der Teilchen. In der Behandlungsposition wird einem nächsten Schritt mindestens em Teil der Teilchen einer Plasmabehandlung oder einer Auftragung auf das Substrat unterzogen.

Die Plasmabehandlung kann beispielsweise eine Teilchenober- flachen-Beschichtung oder -Abtragung umfassen. Im letzteren Fall kann beispielsweise em schrittweises Absenken des Plasmakristalls zu einer geringeren Hohe über der HF-Elektrode dazu fuhren, daß die untersten Schichten des Plasmakristalls einem selektiven Plasmaatzprozeß unterzogen werden. Zur Teil- chenbeschichtung kann ggf. em Plasmawechsel bei laufendem Reaktorbetrieb vorgesehen sein.

Zur Auftragung auf dem Substrat 30 kann ede geeignete Änderung des Abstands zwischen dem Plasmakristall und der Substratoberflache verwendet werden. Gemäß einer ersten Alternative wird der Plasmakristall durch Änderung der Plasmabedmgungen auf das Substrat gesenkt. Gemäß einer zweiten Alternative wird Substrat mit der VerStelleinrichtung 31 zum Plasmakristall angehoben. Gemäß einer dritten, bevorzugten Alternative wird die Entladung zwischen den Elektroden abgeschaltet, so daß das Plasma erlischt und die Teilchen auf das Substrat fallen. Beim Kontakt zwischen den Teilchen und dem Substrat fuhren molekulare Anziehungskräfte zur Adsorption der Teilchen an der Substratoberflache. Im weiteren Verfahren kann die Teil- chenadsorption durch eine Uberscnichtung noch verstärkt werden .

Figur 3 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer besonders einfachen Teilchenaufbrmgung auf die Substratoberflache entsprechend der oben genannten dritten Alternative. Es ist eine plasmakπstallme Monoschicht, wie sie mit der Bildaufnahme- vorπchtung 17 beobachtet werden kann, in einem freihangenden Zustand im Plasma (Gebilde mit ungefüllter Umrandung) und im adsorbierten Zustand (Gebilde mit gefüllter Umrandung) auf einem Substrat nach Erloschen des Plasmas gezeigt. Die Teilchen- dimensionen betragen rd. 5 bis 10 μm bei Abstanden von rd. 200 bzw. 300 μm. Die Erfinder haben erstmalig festgestellt, daß bei dieser besonders einfachen Aufbringung der Teilchen auf das Substrat die regelmäßige Anordnung nahezu vollständig erhalten bleibt, wie dies die minimalen Abweichungen zwischen der Teilchenposition im schwebenden bzw. adsorbierten Zustand zeigen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, mikroskopische Teilchen mit hoher Genauigkeit auf einer Substratoberfläche zu plazieren.

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

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

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

Eine alternative Gestaltung zur ortsselektiven Verformung des Feldes zwischen den Elektroden wird im folgenden unter Bezug auf die Figuren 5 bis 8 erläutert .

Fig. 5 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Reaktionsgefaßes 20, das zur Realisierung der Erfindung eingerichtet ist. Das Reaktionsgefaß 20 ist nicht nur an die im folgenden erläuterte adaptive Elektrode angepaßt, sondern kann auch m Verbindung mit den in den anderen Figuren dargestellten Ausfuhrungsformen der Erfindung realisiert werden. Das Reaktionsgefaß 20 besteht aus einer Elektrodenaufnahme 201, die in den Rezipientenboden

202 eingelassen ist. Der Reaktionsraum wird vom Rezipientenboden 202 mit der Elektrodenaufnahme 201, der Rezipientenwand

203 und dem Rezipientendeckel 204 eingeschlossen und ist über den Vakuumanschluß 205 evakuierbar. Der Rezipientendeckel 204 besitzt einen Fenstereinsatz 206, der auf einer gegebenenfalls gegenüber dem Rezipientendeckel 204 vakuumdicht verdrehbaren Subemheit 207 des Rezipientendeckels 204 angebracht ist. Es kann vorgesehen sein, daß die Subemheit 207 selbst unter Va- kuum verdrehbar ist. Der Fenstereinsatz 206 ist zur Aufnahme unterschiedlicher Beobachtungs- oder Diagnosemittel für die im Reaktionsraum manipulierten Teilchen ausgelegt. Die Teile des Reaktionsgefaßes 20 sind in üblicher Weise wie bei einem Vaku- umgefaß verbunden. Des weiteren können über seitliche Flan- schemheiten zusätzlich unterschiedliche Diagnostikeinheiten eingebracht werden.

In Fig. 5 sind ferner die adaptive HF-Elektrode 11 und die geerdete Gegenelektrode 12 (vgl. Fig. 1) gezeigt. Die Gegenelektrode 12 ist ringförmig ausgebildet, um eine Beobachtungsoff- nung für das Beobachtungsmittel (nicht dargestellt) zu bilden.

Eine vergrößerte Draufsicht auf die adaptive Elektrode 11 ist in Fig. 6 dargestellt. Die adaptive Elektrode 11 besitzt entsprechend der üblichen zylmderformigen Gestaltung von Vakuum- gefaßen zur Bildung eines durch äußere Rezipientenembauten möglichst ungestörten Feldverlaufs eine im wesentlichen kreisrunde Umrandung 111. Innernalo der Umrandung befinden sich eine Ringelektrode 112 und eine Vielzahl Elektrodensegmenten, die beim dargestellten Beispiel in Elektrodensubemheiten 113 zusammengefaßt sind. Die Ringelektrode 112 ist als emstucki- ger, durchgehender Elektrodenoereich dargestellt und zur Feldkorrektur (Abflachung) des elektrischen Feldes des hochsegmen- tierten Elektrooenbereicnes eingerichtet. Es ist jedoch ersatzweise auch moglicn, anstelle der Ringelektrode 112 einen segmentierten Elektrodenbereich vorzusehen, in dem jedoch die Segmente mit identiscnen Feldern beaufschlagt werden. Im Uber- gangsbereich zwischen den Elektrodensubemheiten und der Ringelektrode werden die Subemheiten derart in der Hohe verändert, daß der Ring (eventuell von der Unterseite ausgefrast) über die Subemheiten geschooen werden kann.

Die Elektrodensubemheiten 113 sind in einem inneren, von der Ringelektrode 112 umgebenen Bereich der Elektrode 11 vorgese- hen und umfassen jeweils eine Vielzahl von Elektrodensegmenten. Die Form, Große und Zahl der Elektrodensegmenten wird an- wendungsabhangig je nach den räumlichen Anforderungen an em elektrisches Gleich- oder Niederfrequenzfeld (E) zwischen den Elektroden 11, 12 (vgl. Fig. 1) konstruiert. Die größte Variabilität der einstellbaren Feldverlaufe wird durch eine Matrixanordnung einer Vielzahl von punktformigen Elektrodensegmenten (im folgenden als Punktsegmente oder Punktelektroden bezeichnet) erreicht. Hierbei bedeutet die Bezeichnung punkt- formiges Elektrodensegment bzw. Punktsegment, daß zwar jedes Elektrodenelement eine zum Reaktionsraum hinweisende endliche Flache besitzt, diese jedoch wesentlich kleinere Dimensionen als die Gesamtgroße der Elektrode 11 besitzt. So besitzt ede Punktelektrode beispielsweise eine charakteristische Langen- Dimension, die um einen Faktor von rund 1/500 bis 1/100, z.B. 1/300, gegenüber der Außendimension (Durchmesser) der Elektrode 11 verkleinert ist. Das Matrixraster kann jedoch anwen- dungsabhangig auch großer gewählt werden. Bei der hier dargestellten Punktrasterform der adaptiven Elektrode ist eine charakteristische Längen-Dimension der Punktelektrode vorzugsweise gleich oder kleiner der Debye-Lange der Teilchen im Plasma ( z . B . rund 3 mm) .

Eine adaptive Elektrode 11 besitzt beispielsweise einen Außendurchmesser von rund 50 cm mit einer Breite der Ringelektrode 112 von rund 5 cm, so daß der innere Bereich der Elektrodensegmente 113 einen Durchmesser von rund 40 cm besitzt. Die adaptiven Elektrodensubemheiten 113 können m ihrer Gesamtheit beispielsweise rund 50.000 bis 100.000 Punktsegmente umfassen. Em bevorzugtes Maß der Segmentierung ist em 1.27-mm-Raster , das mit verfugbaren 1/20-Zoll-Steckeremrιchtungen kompatibel ist, wie dies unten unter Bezug auf Fig. 7 naher erläutert wird. In diesem Fall lassen sich innerhalb der Ringelektrode 112 rund 80.000 voneinander elektrisch isolierte Punktsegmente anordnen . Aus Ubersichtlichkeitsgrunden zeigt der untere Teil von Fig. 6 nicht jedes einzelne Punktsegment , sondern die Elektrodensubemheiten (Punktsegmentgruppen) . Die gruppenweise Zusammenfassung von Punktsegmenten ist kein zwingendes Merkmal der Erfindung, besitzt jedoch Vorteile bei der Elektrodenansteuerung, wie dies unten im einzelnen unter Bezug auf die Figuren 7 und 8 erläutert wird. So zeigt das Linienmuster im unteren Teil von Fig. 6 beispielsweise Elektrodensubemheiten 113, die jeweils 8 ^• 32 Punktsegmente enthalten. Dies wird durch den oberen Teil von Fig. 6 verdeutlicht, der eine Ausschnittsvergro- ßerung (X) vom Rand der Elektrodensubemheiten 113 darstellt. Die Erfindung ist nicht auf die Zusammenfassung von 8 • 32 Punktsegmenten zu einer Elektrodensubemheit beschrankt, sondern kann konstruktions- und anwendungsabhangig andere Gruppierungen umfassen (z. B. 16 • 16 Punktsegmente) .

Der obere Teil von Fig. 6 zeigt beispielhaft hervorgehoben eine Elektrodensubemneit 113 mit einer Vielzahl von Punktsegmenten oder Punktelektrocen 115, die jeweils untereinander durch Isolationsstege voneinander elektrisch getrennt sind. Die Punktelektroden 115 cesitzen zum Reaktionsraum weisende, quadratische Stirnflacnen der Breite a = 1.25 mm. Die Isolationsstege 116 besitzen eine Breite b = 0.02 mm, so daß sich insgesamt das oben genannte 1.27 mm-Raster ergibt. Die Elektrodensubemheit 113 umfaßt z.B. 8 ^• 32 Punktelektroden 115. Aus Fig. 6 ist ferner ersichtlich, daß sich die Ringelektrode 112 und der Bereich der Elektrodensubemheiten 113 gegenseitig überlappen. Damit wird eine optimale, dichte Ausfüllung des inneren Bereiches der Elektrode 11 auch am Rand der Ringelektrode 112 erzielt, wie d es im vergrößerten Teil von Fig. 6 erkennbar ist.

Sowohl die Ringelektrode 112 als auch die Elektrodensubemheiten 113 bestehen aus einem metallischen Elektrodenwerkstoff. Das Material wird anwendungsabhangig und je nach dem gewünschten Herstellungsverfahren für die Elektrode gewählt. Bei den unten erläuterten Atzverfahren kann als Elektrodenwerkstoff z.B. Edelstahl, Aluminium oder Kupfer verwendet werden. Zur Vermeidung von elektrischen Störungen durch Abscheidungen auf der Elektrodenflache wird diese vorzugsweise mit einer Isola- tionsschicht überzogen, die z.B. aus demselben Isolationsmate- rial wie die Isolationsstege 116 besteht. Die Isolations- schicht kann beispielsweise eine Dicke von rund 10 μm bis 100 μm, vorzugsweise 20 μm, oesitzen. Als Isolationsmaterial der Isolationsstege 116 ist jedes Material geeignet, das bei den auftretenden Spannungswerten eine genugende Isolationsfestig- keit zwischen den Punktelektroden gewahrt. Dieses Isolationsmaterial ist beispielsweise Epoxydharz oder em anderer geeigneter Kunststoff.

Fig. 7 zeigt den Aufbau der segmentierten Elektrode am Beispiel einer Elektrodensubemheit 113. Entsprechend dem oben erläuterten Beispiel umfaßt die Elektrodensubemheit 113 wiederum beispielhaft 8 • 32 Punktelektroden 115. Diese bilden (gemeinsam mit den übrigen , nicht dargestellten Segmenten der adaptiven Elektrode) einen oberen Elektrodenbereich, der auch als segmentierte Elektrode 120 bezeichnet wird. Die segmen- tierte Elektrode besteht des weiteren aus der Isolationsplatte 122, in die eine Vielzahl von Buchsen eingearbeitet sind (nicht dargestellt), deren Zahl und Anordnung jeweils den Punktelektroden 115 der Elektrodensubemheit 113 entspricht. Die Buchsen sind zur Aufnahme von Steckereinheiten 123 eingerichtet, die gegebenenfalls auch als integrale Basisplatte ausgebildet sein können. Es besteht auch die Möglichkeit, d e Steckereinheiten 123 als Buchsen auszulegen und eine elektrische Verbindung mit den Buchsen, welche in die Isolationsplatte integriert sind, über leitfahige Stifte herzustellen. Zwischen jeder Buchse der Isolationsplatte 122 und der entsprechenden Punktelektrode 115 besteht em elektrischer Kontakt. Der Aufbau der Isolationsplatte 122 ist abhangig vom Herstellungsverfahren der Gesamtelektrode 11 beziehungsweise des Bereiches der Elektrodensubemheiten 113. Em derartiges Herstellungsverfahren wird im folgenden beispielhaft illustriert.

Zunächst wird von der Unterseite der Isolationsplatte 122, für jede Punktelektrode 115 eine Bohrung durch die Isolationsplatte 122 bis zur spateren Position der jeweiligen Punktelektrode 115 vorgenommen, so daß am Ende jeder punktformigen Elektrode, welche mit leitfahigem Kleostoff an der Isolationsplatte haftet, eine zugehörige Buchse zur Aufnahme eines Stifts von der Steckeinrichtung 123 gescnaffen wird. Anschließend wird eine metallische Platte oder Folie aus dem gewählten Elektrodenma- terial mit den gewünschten Außendurchmesser- bzw. DicKenpara- metern auf eine Platte aus Isolationsmaterial mit einer Dicke entsprechend der gewunscnten Dicke der Isolationsplatte 122 geklebt. Dann erfolgt e Materialabtrag aus der metallischen Elektrodenfolie zur Bildung der Punktelektroden 115, wobei die entsprechenden Positionen der Punktelektroden über den Lochern in der Isolationsplatte angeordnet werden. Zum Materialabtrag werden kanalformige Fre raume entsprechend dem Muster der Isolationsstege 116 (vgl. Fig. 6) ausgebildet. Dieser Materialabtrag erfolgt beispielsweise durch einen maskierten Atzvorgang, bei dem die metallische Folie außer an den gewünschten Positionen der Punktelektrcoen durchgehend bis zur Isolationsplatte abgetragen wird. Anscnließend werden die Kanäle zur Bildung der Isolationsstege 116 mit einem Isolationsmaterial gefüllt. Dies erfolgt beispielsweise durch Ausgießen mit einem aushart- baren Harz .

Bei alternativen Verfanrensweisen werden mit entsprechenden Struktuπerungsverfahren Buchsen m der Isolationsplatte 122 ausgebildet, die jeweils zur adaptiven Elektrode hm geschlossen und elektrisch mit der jeweiligen Punktelektrode 115 verbunden sind. In jedem Fall bildet die segmentierte Elektrode einen vakuumdichten Abschluß des Reaktionsraumes.

An der von der segmentierten Elektrode abgewandten Seite der Steckereinheiten 123 sind Platinen 124 angebracht, die Verbindungsstecker 126 zur externen Elektronik und Adress-Decoder-, Multiplex- und Demultiplex-Schaltkreise 127, 128, 129 tragen, deren Funktionen im einzelnen unten unter Bezug auf Fig. 8 erläutert wird. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform der Erfindung sind vier Steckereinheiten 123 (inklusive der Platinen 124) für jeweils 2 32 PunKtelektroden 115 zu je einem MUX- Modul zur Ansteuerung von 8 32 Punktelektroden zusammengefaßt. Der Abstand der vier entsprechenden Platinen 124 wird durch das Rastermaß Destimmt und ist geringfügig großer als die Hohe der aufgesetzten Schaltkreise 127, 128, 129. Wiederum kann diese Dimensionierung großen- und anwendungsabhangig verändert werden. Die vier Platinen 124 sind durch z. T. leitfa- hige Stabilisationsemheiten 126a miteinander verbunden.

Zur vereinfachten handhabung (Bestückung der segmentierten Elektrode mit Steckereinheiten) können an der Unterseite der Isolationsplatte 122 für jede Elektrodensubemheit 113 eine Farbcodierung 117 vorgesehen sein. Die Platinen 124 sind derart ausgelegt, daß die in Fig. 8 illustrierten elektronischen Schaltelemente integriert werden können.

Im folgenden wird die elektrische Steuerung der erfmdungsgemaßen adaptiven Elektrode 11 unter Bezug auf das Blockschaltbild gemäß Fig. 8 erläutert. Fig. 8 zeigt im Reaktionsgefaß 20 (s. Fig. 5) Punktelektroden 115 als Teil der HF-Elektrode (adaptive Elektrode 11) und die Gegenelektrode 12 (s. auch z.B. Fig. 1) . Von den (insgesamt 256) Punktelektroden 115 einer Elektrodensubemheit 113 sind vergrößert die erste und letzte Punktelektrode jeweils der ersten und vierten Platine 124 (Ma- tπxpositionen (1,1), (2, 64) , (7,1), (8, 64) dargestellt. Ferner ist die Ringelektrode 112 dargestellt. Der Elektronikbereich 130 umfaßt sämtliche Platinen 124 (s. Fig. 7), die den Punktelektroden 115 zugeordnet sind. Beispielhaft ist hier eine Platine 124 für 8 ^• 32 Punktelektroden 115 dargestellt. Der Elektronikbereich 130, der die vom Reaktionsraum abgewandte Ruckseite der adaptiven Elektrode 11 darstellt, wird zur Vermeidung einer übermäßigen Druckbelastung der adaptiven Elektrode 11 mit einem Unterdruck beaufschlagt. Der Druck im Elektronikbereich 130 kann beispielsweise im Bereich von 10 bis 100 mbar liegen. Alternativ kann der Elektronikbereich zur Druckentiastung der adaptiven Elektrode auch mit einer isolierenden Flüssigkeit, wie z. B. einem 01, ausgegossen sein, die auch eine Kuhlfunktion übernehmen kann. Vom Elektronikbereicn 130 getrennt sind unter atmosphärischen Bedingungen Versorgungsschaltungen 140 und eine Steuereinrichtung 150 vorgesenen. Die Versorgungsschaltungen 140 umfassen einen HF-Generator 141, eine Versorgungsspannungschaltung 142 für die Ringelektrode 12, und eine Steuerspannungschaltung 143.

Die Platine 124 besitzt für jede der Punktelektroden 115 jeweils eine EmkoppeIscha_tung 131. Die Einkoppelschaltung 131 ist dazu vorgesehen, jede Punktelektrode (bzw. allgemein jedes Elektrodensegment) der aαaptiven Elektrode 11 gleichzeitig mit der Ausgangsspannung des HF-Generators 141 und mit einer segmentspezifischen Ausganσsspannung der Steuerspannungsschaltung 143 zu beaufschlagen. Hieroei wird erfmdungsgemaß mit besonderem Vorteil die Tatsache ausgenutzt, daß die HF-Versorgung hochfrequent und die ortsselektive Erzeugung einer Feldvertei- lung im Reaktionsraum niederfrequent bzw. mit einem statischen elektrischen Feld erfolgt. So sind die Ausgangsparameter des HF-Generators 141 beispielsweise eine Ausgangsfrequenz im MHz- Bereich (entsprechend den üblichen Frequenzen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Plasmen, z.B. 12 bis 15 MHz) und em Spannungsbereich von ± 150 V_ss (sinusförmig) . Hingegen erfolgt die Beaufschlagung der Punktelektroden 115 mit Steuerspannungen niederfrequent (< 100 Hz) oder statisch (Gleichspannung, DC) . Dementsprechend enthalt jede Einkoppelschaltung 131 eine Konoensator-Widerstand-Kombmation (C1-C256, R1-R256) , wobei die HF-Leistung über alle Kondensatoren gemeinsam emgekoppelt wird.

Auf jeder Platine ist ferner eine Adressierungsschaltung 132 vorgesehen, die die oben genannten (s. Fig. 7) Adress-Decoder , Multiplexer- und Demultiplexer-Schaltkreise 127, 128, 129 umfaßt, die wie folgt zusammenwirken.

Der Adress-Decodier-Schaltkreis 127 wählt in Abhängigkeit von den Schaltsignalen (DEMUX CONTROL und MUX CONTROL) der Steuerschaltung 150 mit einer Schaltfrequenz von 256 kHz aus, welcher Spannungswert von der Steuerspannungschaltung 143 mit dem Multiplex-Schaltkreis 128 auf eine Zentralleitung 133 und von dieser mit dem Demultiplex-Schaltkreis 129 auf einen, wiederum vom Adress-Decodier-Schaltkreis 127 ausgewählten, Emkoppel- kreis 131 gemäß einer Punktelektrode 115 geschaltet wird. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform liefert die Steuerspannungschaltung 143 vierundsechzig Steuerspannungswerte entsprechend auf vierundsechzig Versorgungsleitungen (vgl. auch Fig. 8) . Die Steuerspannungswerte auf dem Spannungsversorgungsbus 143a unterscheiden sich beispielsweise mit Spannungsschritten von 0.625 V und überdecken den Bereich von ± 20 V (Gleichspannung) . Dementsprechend trifft der Multiplex-Schaltkreis 128 eine 1:64-Auswahl zur Verbindung einer der vierundsechzig Versorgungsleitungen 143a mit der Zentralleitung 133. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform sind ferner 256 Emkoppelschaltkreise 131 entsprechend den 256 Punktelektroden 115 vorgesehen, so daß der Demultiplex-Schaltkreis 129 eine 256 : 1-Auswahl von der Zentralleitung 133 auf einen der Emkoppelschaltkreise 131 trifft. Die zu einer Platine 124 gehörigen Punktelektroden 115 (entsprechend einer Elektrodensubeinheit ) werden vorzugsweise seriell entsprechend einem bestimmten Ablaufmuster angesteuert. Dabei wird mit besonderem Vorteil eine Doppelfunktion der Einkoppelkondensatoren C1-C256 genutzt. Diese dienen nämlich nicht nur der Einkoppeiung der HF-Leistung, sondern auch der Aufrechterhaltung des Elektrodenpotentials an den einzelnen Punktelektroden, solange entsprechend dem seriellen Ansteuerablauf keine Verbindung mit der Steuerspannungsschaltung 143 besteht. Da von jeder Punktelektrode 115 laufend durch Stromverluste über das Plasma em Leistungsverlust entsteht, sind die Einkoppelkondensatoren C1-C256 zyklisch auf den gewünschten Spannungswert nachzuladen. Die Einkoppelkondensatoren sind so ausgelegt, daß bei den anwendungsabhangigen Elektrodenspannungen bzw. Verlustleistungen der Ladungsverlust am jeweiligen Einkoppelkondensator und somit der Spannungsabfall an der zugehörigen Punktelektrode wahrend eines Ansteuerzyklus (< 1 %) in Bezug auf die Elektrodenspannung ist.

Die Schaltfrequenz des Adress-Decodier-Schaltkreises 127 wird in Abhängigkeit von der Zahl der zu einer Subeinheit 113 gehörigen Punktelektroden 115, von der Frequenz der Steuerspannungsänderungen und vo der Spannungskonstanz wahrend eines Zyklus an den PunkteleKtroden so gewählt, daß der serielle Zy- klendurchlauf durch die Subeinheit oder Segmentgruppe 113 eine wesentlich höhere Frequenz als die Niederfrequenzspannung der Steuer≤pannungsanderunσ besitzt. Dies bedeutet beispielsweise bei 256 Punktelektroden und einer angestrebten Zyklenfrequenz von rund 1 kHz (entsprechend 1.000 Nachladevorgangen pro Punktelektrode pro Sekunde) eine Schaltfrequenz von 256 kHz. Dieses schnelle Schalten zwischen den Spannungsstufen der Steuerspannungschaltung 143 erlaubt auch eine ortsselektive Modellierung des Feldverlaufs im Reaktionsraum 20 entsprechend einem Wechselfeldverhalten. Die gesamte Steuerelektronik 140, 150 gemäß Fig. 8 ist poten- tialmaßig dem HF-Signal überlagert und deshalb schaltungstechnisch kapazitatsarm vom Steuerrechner, dem Netz und anderen Schnittstellen für Kuhlzwecke usw. entkoppelt. Die Eingabe von Steuersignalen über die Steuereinrichtung 150 erfolgt vorzugsweise über einen Optokoppler.

Die oben beschriebene adaptive Elektrode 11 und die zugehörige Steuerelektronik können wie folgt modifiziert werden. Die Zahl, Form und Anordnung der Elektrodensegmente kann anwen- dungsabhangig verändert werden. Bei Realisierung einer Matrix mit Punktelektroden kann die Zusammenfassung m Segmentgruppen anwendungsabhangig verändert werden. Entsprechendes gilt für den Spannungsbereich der Steuerspannungschaltung 143 und die Große der einstellbaren Spannungsschritte oder -stufen. Schließlich kann der Aufbau im Reaktionsgefaß (s. Fig. 5) umgekehrt werden, indem die geerdete Elektrode 12 auf der unteren und die HF-Elektrode 11 (insbesondere d e adaptive Elektrode 11) auf der oberen Seite angebracht werden.

Der wichtigste Vorteil der adaptiven Elektrode 11 ist d e Schaffung eines programmierbaren räumlichen stationären oder niederfrequenten elektrischen Feldverlaufes im Reaktionsraum, mit den geladenen Teilchen an bestimmten Orten festgehalten oder m bestimmter Weise bewegt werden können. Dadurch sind die zu manipulierenden Teilchen in beliebiger Weise positionierbar .

Fig. 9 zeigt eine schematische Seitenansicht von Teilen einer erfmdungsgemaßen Anordnung, bei der der Plasmakristall 50 zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Substrat 30 mit der Ver- stellemrichtung 31 einerseits und der Gegenelektrode 12 andererseits stufenförmig ausgebildet ist. Diese Plasmakristallform laßt sich beispielsweise durch Einsatz einer Entladevorrichtung gemäß Fig. 2 erzielen. Durch eine teilweise Bestrah- lung der Plasmakristalls mit UV-Licht wird em Teil der Teilchen (in Fig. 9 der linke Bereich) entladen, so daß das Gleichgewicht bei unveränderten Plasmabedmgungen m einer geringen Hohe über der HF-Elektrode 11 eingestellt wird. Durch eine entsprechende Änderung der relativen Lage des Plasmakristalls 50 und/oder des Suostrats 30 laßt sich eine teilweise Beschichtung des Substrats 30 erzielen, wie es im unteren Teil von Fig. 4 illustriert ist.

Durch eine Strukturierung der HF-Elektrode 11 mit Strukturelementen 61 gemäß Fig. 10 kann das elektrische Feld zwischen der HF-Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 derart beeinflußt werden, daß sicn der Plasmakristall nur n einem Bereich mit einem Potentialmmimum ausbildet, der sich über den Teilen der HF-Elektrode 11 befindet, die nicht von den Strukturelementen 61 bedeckt sind. Werden die Strukturelemente 61 beispielsweise durch Abdeckbaiken gebildet, die einen streifenformigen Zwischenraum lassen, so besitzt der Plasmakristall 60 eine Streifenform (Erstreckungsricntung senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 10) . Der Plasmakristall 60 laßt sich wiederum erfindungs- gemaß auf dem Substrat 30 aolagern. Alternativ zu der Strei- fengestaltung gemäß Fig. 10 laßt sich die HF-Elektrode 11 mit beliebigen Strukturelementen 61 strukturieren oder maskieren.

Fig. 11 zeigt eine zusätzliche Möglichkeit der Ausübung äußerer Kräfte auf em Plasma rιstall . Die schematische Draufsicht auf eine erfmdungsgemaße Anordnung zeigt die HF-Elektrode 11 mit der Steuereinrichtung 13 und das Substrat 30 mit der Ver- stellemrichtung 31. Die HF-Elektrode 11 tragt Strukturelemente (nicht dargestellt) gemäß Fig. 10, so daß sich em strei- fenformiger Plasmakrιsta_l ausbildet. Die Gestalt des Plasmakristalls 70 laßt sich weiter verandern, indem Ablenkelektroden 71 synchron mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden. Die Ablenkelektroden 71 sind zu einer lateralen Auslenkung eines schichtformigen Plasmakristalls m der Schichtebene emge- richtet. So laßt sich beispielsweise eine schlangenfor ige Schwingung der Teilchen erzielen, wie sie im unteren Teil von Fig. 11 skizziert ist. Diese Kristallanordnung kann wiederum auf dem Substrat 30 abgetragen werden.

In Fig. 12 ist eine Oberflachenbeschichtung mit langgestreckten Partikeln gezeigt, die insbesondere zur Erzielung anisotroper optischer Oberflacheneigenscnaften eingerichtet ist. Die langgestreckten Teilchen sind beispielsweise sogenannte Bucky-Tubes (mikroskopische, rohrformige Teilchen bestehend aus einer regelmäßigen Anordnung von Kohlenstoffatomen) . Die Bucky-Tubes können beispielsweise eine Lange von einigen Mikrometern und einen Durchmessern von rund 10 bis 20 nm besitzen. Diese Teilchen besitzen eine verhältnismäßig große Oberflache, die zu einer starken Aufladung im Plasma und zu einer Polarisation fuhrt. Im Plasmakristall 80 sind die Bucky-Tubes regelmäßig mit ihrer Langsausdehnung senkrecht zu den Ebenen der Entladungselektroden ausgerichtet. Durch eine entsprechende Annäherung an das Substrat 30 erfolgt die Adsorption der langgestreckten Teilchen mit einer vertikalen Vorzugsrichtung, wie es im unteren Teil von Fig. 12 illustriert ist. Diese Ad- sorbate können gegebenenfalls in einem Zusatzschritt in ihrer Lage durch eine Zusatzbeschichtung fixiert werden.

Gemäß Fig. 13, die eine Draufsicht auf Teile einer erfmdungsgemaßen Anordnung zeigt, ist eine Manipulierung des Plasmakristalls 90 auch durch Ausübung eines Strahlungsdrucks von einer äußeren Lichtquelle 91 möglich. Die äußere Steuerlichtquelle kann beispielsweise durch einen Helium-Neon-Laser mit einer Leistung von rund 10 mW gebildet werden. Der mit dem Laserstrahl auf die Partikel ausgeübte Strahlungsdruck erlaubt eine präzise Positionskontrolle, die mit einer Beobachtungseinrichtung 17 (s. Fig. 1) überwacht werden kann. Mit Hilfe des Strahlungsdrucks laßt sich em Plasmakristall vorzugsweise drehen (siehe Pfeil), oder auch auf em seitlich angeordnetes Substrat bewegen.

Neben den illustrierten Ausfuhrungsformen der Erfindung sind weitere Modifizierungen der erfmdungsgemaßen Anordnung durch Einrichtung von Mitteln denkbar, mit denen durch Ausübung äußerer Kräfte die Bedingungen eines Plasmakristalls ortsselektiv verändert werden Können. Beispielsweise ist es möglich, zusätzlich eine Magnetfeldeinrichtung zur gezielten Steuerung des Plasmas beispielsweise durch eine senkrecht zu den Elektrodenebenen ausgericntete Magnetfeldrichtung zu erzielen. Es ist ferner möglich, das Ξeschichtungsverfahren dynamisch durchzufuhren, wobei kontinuierlich Teilchen dem Plasmaraum zugeführt und nach Anorαnung als Plasmakristall ortsselektiv auf die Substratoberflacne aufgetragen werden. Weitere Modifizierungen beziehen sicn auf das Substrat. Das Substrat muß nicht eben sein, sondern <ann eine gekrümmte Oberflachen aufweisen. Es können mehrere Substrate vorhanden sein. Es ist auch möglich, eine erfir.dungsgemaße Vorrichtung ohne Auftragung auf einem Substrat als Anzeigevorrichtung zu betreiben, bei der anisotrope Tei.cen zur Anzeige vorbestimmter Muster zwischen verschiedenen -„snchtungen umstellbar sind, die beispielsweise jeweils eine- Zustand "Schwärzung" oder "Transparenz" repräsentieren. ΞΞ _st auch möglich, verschieden große Teilchen n verschiedenen Hohen eines Plasmas zu manipulieren und seitlich mit Anregungslichtquellen verschiedener Wellenlangen zu beleuchten, so daß farbige Anzeigen hoher Auflosung aufgebaut werden können.

Em besonderer Vorteil αer Erfindung besteht darin, daß sie durch eine unaufwendige Modifizierung herkömmlicher Plasmareaktoren (z.B. aus der Scnaltkreis-Herstellung) realisiert werden kann, dessen BetnecsDedmgungen gut bekannt und steuerbar sind. Die Erfindung ist zur Herstellung von sogenannten Desi- gnermaterialien mit besonderen Oberflacheneigenschaften verwendbar .

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Manipulierung von Teilchen (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90), die in einem plasmakristallmen Zustand in einem Plasma eines Tragergases angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mindestens teilweise auf einer Substratooerflache (30) aufgetragen werden.

2. Verfahren zur Manipulierung von Teilchen (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90), die einem plasmakristallmen Zustand in einem Plasma eines Tragergases angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mindestens teilweise einer Plasmabehandlung unterzogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Teilchen mindestens teilweise durch eine Einwirkung äußerer Verstellkrafte und/oder eine Änderung der Plasmabedmgungen zur Plasmabehandlung m eine Behandlungsposition bewegt werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem nach der Plasmabehandlung die Teilchen mindestens teilweise auf einer Substratoberflache (30) aufgetragen werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4, bei dem em Abstand der Teilchen von der Substratoberflache durch eine Bewegung der Substratoberflache, eine Einwirkung äußerer Verstellkrafte und/oder eine Änderung der Plasmabedmgungen geändert wird, bis die Teilchen mindestens teilweise auf der Substratoberflache anhaften.

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

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

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Änderung der Plasmabedmgungen eine Änderung des Plasmadrucks , der Plasmatemperatur, des Tragergases, der Plasmaenergie und/oder der Betriebsfrequenz des Plasmas, e Abschalten der Plasmaerzeugung und/oder eine Feldbeeinflussung von elektrischen Feldern im Bereich der Teilchen m plasmakristallmen Zustand umfaßt.

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

10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen (80) eine längliche, stabformige Gestalt besitzen und so auf der Substratoberflache aufgetragen werden, daß sich die stabformige Gestalt im wesentlichen senkrecht von der Substratoberflache erstreckt.

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

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

13. Vorrichtung zur Manipulierung von Teilchen (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90), die sich n einem plasmakristallmen Zustand im Plasma eines Tragergases in einem Reaktionsgefaß mit Mitteln zur Plasmaausbildung befinden, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgefaß mindestens em Substrat (30) angeordnet ist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei dem die Mittel zur Plasmaausbildung flächige, im wesentlichen parallele Plasmaelektroden (11, 12) sind, die zur Ausbildung einer Gas- oder Glimmentladung im Tragergas eingerichtet sind und zwischen denen das Substrat beweglicn angeordnet ist.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, bei der im Reak- tionsgefaß feldformende Strukturen (41) zur ortsselektiven Manipulierung der Teilchen im plasmakristallmen Zustand angeordnet sind.

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

17. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung (11) mit einer Vielzahl von Elektrodensegmenten, die dazu eingerichtet sind, gemeinsam mit einer Hochfrequenzspannung und jeweils einzeln mit einer spezifischen Gleichspannung oder Niederfrequenzspannung beaufschlagt zu werden.

18. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß Anspruch 17, bei der jedes Elektrodensegment mit einer Einkoppelschaltung verbunden ist, die jeweils einen Emkoppel- und Ladekondensator

(Cl, ..., C256) enthalt, der simultan zur Emkopplung der Hochfrequenzspannung von einem Hochfrequenzgenerator (141) und zur Aufladung entsprechend einer vorbestimmten Ausgangsspannung einer Steuerspannungsschaltung (143) eingerichtet ist.

19. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß Anspruch 17 oder 18, bei der die Elektrodensegmente matrixartig reihen- und spaltenweise in einer Ebene angeordnet sind.

20. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der die Elektrodensegmente Punktelektroden (115) umfassen, deren Elektrodenflachen wesentlich kleiner als die Gesamtflache der Hocnfrequenzelektrodenemrichtung ist.

21. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei der die Elektrodensegmente (115) zu Elektrodensubemheiten (112; zusammengefaßt sind.

22. Hochfrequenzelektrodenemrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, oei der die Elektrodensegmente (115) mit einer Isolationsplatte (122) vorgesehen sind, deren Vorderseite zu einem Reaktionsgefaß tαr Ausbildung eines Plasmas weist und für jedes Elektrodensegment eine Buchse aufweist, wobei die Buchsen zur Aufnahme von Steckeinheiten (123) eingerichtet sind .

23. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß Anspruch 22, bei der jede Steckeinheit (123) eine Platine (124) mit Emkoppel- und Steuerschaltkreisen (131, 127, 128, 129) tragt.

24. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß Anspruch 23, bei der die Platinen (124) in einem Raum angeordnet sind, der mit einem Unterdruck beaufschlagt ist.

25. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß Anspruch 23, bei der die Platinen (124) in einem Raum angeordnet sind, der mit einer isolierenden Flüssigkeit gefüllt ist.

26. Hochfrequenzelektrodenemrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, bei der die Elektrodensubemheiten (113) jeweils mit einer Kombination aus einem Multiplexschaltkreis

(129) und einem Demultiplexschaltkreis (128) verbunden sind, wobei der Multiplexschaltkreis (129) in Abhängigkeit von Steuersignalen eine Verbindung zwischen einer von einer Vielzahl von Ausgangsspannungen einer Steuerspannungsschaltung (143) und dem Eingang des Demultiplex-Schaltkreises (128) herstellt und dieser die ausgewählte Ausgangsspannung an eine der Elektrodensegmente (115) der jeweiligen Elektrodensubemheit (113) gibt.

27. Hochfrequenzelektrodeneinrichtung gemäß Anspruch 26, bei der die Elektrodensegmente (113) sequentiell mit Ausgangsspannungen der Steuerspannungsschaltung (143) beaufschlagt werden.