EP1709663A2 - Vorrichtung zur erzeugung angeregter und/oder ionisierter teilchen in einem plasma und verfahren zur erzeugung ionisierter teilchen - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung angeregter und/oder ionisierter teilchen in einem plasma und verfahren zur erzeugung ionisierter teilchen

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Publication number
EP1709663A2
EP1709663A2 EP04765827A EP04765827A EP1709663A2 EP 1709663 A2 EP1709663 A2 EP 1709663A2 EP 04765827 A EP04765827 A EP 04765827A EP 04765827 A EP04765827 A EP 04765827A EP 1709663 A2 EP1709663 A2 EP 1709663A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
excitation
outer conductor
chambers
plasma
excitation chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04765827A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Gschwandtner
Josef Mathuni
Alexander Mattheus
Stephan Schneider
Jürgen SELLMAIER
Heinz Steinhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Muegge GmbH
Original Assignee
R3T Rapid Reactive Radicals Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by R3T Rapid Reactive Radicals Technology GmbH filed Critical R3T Rapid Reactive Radicals Technology GmbH
Publication of EP1709663A2 publication Critical patent/EP1709663A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the invention relates to a device for generating excited and / or ionized particles in a plasma with a generator for generating an electromagnetic wave and an excitation chamber with a plasma zone in which the excited and / or ionized particles are formed, the excitation chamber between an inner conductor and an outer conductor.
  • the invention further relates to a method for generating excited and / or ionized particles in a plasma by means of this device.
  • Plasma coating processes are often used today for the production of silicon semiconductor components and in general for coating processes.
  • the coating takes place in an excitation chamber with a plasma zone in which excited and / or ionized particles are formed.
  • the invention has for its object to provide a device and a method of the type mentioned, with which in each case plasma with targeted controllable properties can be better generated with regard to other areas of application.
  • a device for generating excited and / or ionized particles in a plasma has a generator for generating an electromagnetic wave and an excitation chamber with a plasma zone in which the excited and / or ionized particles are formed. Furthermore, an inner conductor and an outer conductor are provided, to generate a plasma by applying electrical voltages at a suitable frequency.
  • at least one excitation chamber is arranged in the insulator material in the device eccentrically to an annular cylindrical outer conductor. In particular, it can be provided to arrange a plurality of excitation chambers arranged eccentrically to the outer conductor in the insulator material, which are distributed around the central axis of the ring-cylindrical outer conductor.
  • An advantage of the invention is to provide a device for generating plasma, in which plasmas can be generated from different process gases in the multiple excitation chambers. Nevertheless, an optimal work result can be achieved by mixing the plasmas and feeding the plasma mixture onto the workpiece. Basically, it is sufficient if the plasmas generated in the individual chambers mix in the work area on the workpiece.
  • the outlets of the chambers are preferably brought together in a common outlet, so that the plasmas already mix in the outlet line.
  • Another advantage of the invention is to generate excited particles in a high density plasma that is spatially very limited by electrodes and insulators.
  • the particles are then fed as neutral excited particles into appropriate reaction spaces in order to machine workpieces.
  • the location of the plasma generation is very limited and offers in the device according to the invention thus a smaller attack surface.
  • the object is achieved in that different process gases are fed to the chambers and that the plasma is generated in the individual chambers on the basis of different parameters.
  • the parameters for generating a plasma are generally known.
  • Figure 1 is a sectional view through a first embodiment of an inventive device for generating excited and / or ionized particles
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through the first exemplary embodiment of the device according to the invention for producing excited and / or ionized particles along the section line HI-HI
  • FIG. 3 shows a cross-sectional representation of a second exemplary embodiment of the inventive device for generating excited and / or ionized particles;
  • Figure 4 is a sectional view through a third embodiment of the device according to the invention for generating excited and / or ionized particles;
  • FIG. 5 shows a sectional illustration through a fourth exemplary embodiment of the device according to the invention for producing excited and / or ionized particles
  • FIG. 6 shows a sectional view through a fifth exemplary embodiment of the device according to the invention for producing excited and / or ionized particles
  • FIG. 7 shows a sectional illustration through a sixth exemplary embodiment of the device according to the invention for producing excited and / or ionized particles.
  • Figure 8 is a sectional view through a seventh embodiment of the device according to the invention for generating excited and / or ionized particles.
  • a plasma generator unit for generating excited and / or ionized particles in a plasma is provided as a first exemplary embodiment.
  • the plasma generator unit has a generator 11 for generating an electromagnetic wave with an excitation frequency.
  • a magnetron that generates microwaves can be used as the generator 11, for example.
  • the microwave is coupled into a waveguide 12 via an antenna 13 in order to feed the microwave to an excitation chamber 20 of the plasma generator unit.
  • a coupling part 15 for an inner conductor 16 is arranged in the vicinity of the end of the waveguide 12 opposite the antenna 13. Furthermore, an outer conductor 17 is provided, an excitation chamber 20 being located between the inner conductor 16 and the outer conductor 17.
  • the excitation chamber 20 is formed in a cylindrical insulator 18, which can be made in one piece or in several pieces from one or more different insulator materials.
  • the insulator 18 is preferably configured in the shape of a circular cylinder. Possible insulator materials can have ceramic or glass that can conduct the heat generated by the plasma well away from the surfaces in the excitation chamber 20.
  • the excitation chamber 20 has a gas inlet 22 for a process gas and a gas outlet 23 for the discharge of excited particles.
  • the gas outlet 23 is preferably arranged in the excitation chamber 20 at a distance from the gas inlet 22, in particular on an end face of the insulator 18, in order to enable process gas to flow through the excitation chamber 20 evenly.
  • the volume, shape, cross-section, length in the direction of flow, the wall material and the arrangement of the chambers between the inner conductor 16 and the outer conductor 17 and the choice of the associated insulator are selected depending on the desired application and the gases to be processed.
  • the gas inlet 22 is arranged near the generator 11 and the gas outlet 23 on the opposite end with respect to the excitation chamber 20.
  • the excitation chamber 20 has a wall coating 19 with a further insulator material, such as SiO z , Al 2 0 3 , AIN, Zr0 2 .
  • a plasma with the process gas is generated in the excitation chamber 20.
  • helium, NF 3 and / or hydrogen are supplied via the gas inlet 22 in order to generate a plasma.
  • the inner conductor 16 is supplied with coolant via a coolant inlet 14 and the outer conductor 17 via a coolant inlet 25, so that the inner conductor 16 and the outer conductor 17 can be kept at an optimum temperature for the plasma generation.
  • the coolant ensures that the heat generated when the plasma is generated is rapidly dissipated to the inner conductor 16 and / or outer conductor and thus the walls of the excitation chamber 20 are kept as cool as possible, so that the chemical attack of the plasma on the inner surface of the excitation chamber 20 is minimized.
  • a gas distributor 28 is arranged, which is preferably cooled with a cooling device (not shown) in order to reduce the chemical attack of the excited particles on the surface of the gas distributor.
  • the gas distributor 28 is preferably conical or funnel-shaped in order to achieve a uniform distribution of the excited particles on a workpiece.
  • FIG. 2 shows a cross section along the section line III-III. It can be seen that the excitation chamber 20 has a circular cross section and is arranged off-center in the circular cylindrical insulator 18.
  • the inner conductor 16 also has a circular cross section and is arranged eccentrically parallel to the insulator axis in such a way that the excitation chamber 20 lies on the longest connecting line to the peripheral edge.
  • the outer conductor 17 can extend around the entire circumference of the area of the cylindrical senator 18.
  • the outer conductor 17 is arranged as a cylinder segment on the peripheral edge of the insulator 18 such that the excitation chamber 20 lies essentially between the outer conductor 17 and the inner conductor 16.
  • FIG. 3 shows a cross section of a further embodiment of the plasma generator unit.
  • the plasma generator unit has three excitation chambers 20, which are located in the insulator 18 are evenly arranged around the inner conductor 16.
  • the inner conductor 16 is arranged centrally in the insulator 18, so that the inner conductor 16 and the outer conductor 17 are formed coaxially to one another.
  • the excitation chambers 20 are grouped uniformly around the inner conductor 16, so that they are each at the same distance from one another.
  • the respective connecting lines between the central inner conductor 16 and the center points of the excitation chambers 20 are at an angle of 120 ° to one another.
  • More than three excitation chambers 20 can also be provided in the isolator 18. Care must be taken that the excitation chambers 20 are separated from each other by insulator material. A larger number of excitation chambers 20 therefore has the consequence that, with the radius of the insulator 18 remaining the same, the sizes of the chambers 20 decrease. However, it is not necessary for the plurality of excitation chambers 20 to be provided with the same cross-sectional area or with the same diameter. The cross-sectional sizes of the excitation chambers can be different and can be adapted to their intended use. In particular, provision can be made to arrange pairs of excitation chambers 20 of the same diameter in the insulator 18, two excitation chambers lying opposite one another in pairs having the same diameter.
  • the shape of the cross section of the excitation chambers 20 does not have to be circular, but can essentially assume any geometrical shapes that are suitable for generating a plasma.
  • the distances between the excitation chambers 20 and the inner conductor 16 and / or outer conductor 17 can each be different.
  • the excitation chambers 20 are formed in this embodiment essentially in the same way as already described with reference to the first embodiment. In this embodiment, however, the diameter of the excitation chamber 20 is smaller than the distance between the peripheral edge of the insulator 18 and the outer edge of the inner conductor 16, so that the excitation chamber 20 is completely surrounded by the insulator material of the insulator 18.
  • each of the excitation chambers 20 is assigned a cylinder segment as the outer conductor 17.
  • a separate excitation frequency can thus be made available for each of the excitation chambers 20 with the aid of a separate generator 11, the inner conductor 16 being used by each of the generators 11.
  • This arrangement also makes it possible to operate the excitation chambers 20 essentially independently of one another.
  • each of the excitation chambers 20 has its own gas inlet 22, so that different process gases enter each of the excitation chambers 20 can be initiated.
  • the gas outlets 23 of the excitation chambers 20 can be arranged on the end face and brought together in a common outlet.
  • the plasma generation is different in the individual excitation chambers 20, the process gases and the geometric conditions of the chambers 20 preferably being matched to one another in such a way that the plasma generation is optimized.
  • FIG. 4 shows a section of the insulator 18, the inner conductor 16, the excitation chamber 20 and the outer conductor 17 attached to the peripheral edge of the insulator 18.
  • the gas inlet 22 is connected to a tubular gas distributor 29 which extends inside the excitation chamber 20 .
  • the gas distributor 29 has gas inlet openings 30 through which the process gases fed to the gas inlet 22 are distributed in the chamber 20.
  • the gas distributor 29 is arranged in an edge section of the excitation chamber 20 which is as close as possible to the inner conductor 16 and as far as possible from the outer conductor 17.
  • Gas outlets 24 are arranged on a further edge section of the excitation chamber 20 facing the outer conductor 17.
  • the excitation chamber 20 has four gas outlets 24, which are distributed substantially uniformly over the length of the excitation chamber.
  • the excitation chamber can be provided with a gas outlet extending over its length. This gas outlet can be provided as a slot with a defined length and width.
  • the gas outlets 24 and the gas inlet openings 30 are arranged offset with respect to one another with respect to the length of the excitation chamber 20, that when the process gases flow through the excitation chamber 20, the process gases have to travel a longer way in the excitation chamber 20 and thus the residence time in the chamber 20 is increased.
  • the outer conductor 17 lies essentially on the peripheral edge of the cylindrical insulator 18, the gas outlets 24 penetrating the outer conductor 17 and the insulator 18.
  • the outer conductor 17 is designed such that coolant can be passed through it in order to neighboring insulator material to cool the insulator 18. Adequate cooling of the insulator 18 and of the inner conductor 16 and outer conductor 17 is necessary in order to achieve the highest plasma performance.
  • FIG. 5 differs from that in FIG. 4 essentially in that external connections for the inner conductor 16 and the outer conductor 17 are provided at both ends of the cylindrical insulator 18, the inner conductor 16 having two open ends, so that electrical energy in the form of an electromagnetic wave can be supplied from both sides via a coaxial line, and coolant can flow from one end to the other.
  • a better cooling effect of the inner conductor 16 and the surrounding insulator 18 can be achieved depending on the flow of the coolant.
  • the embodiment according to FIG. 6 shows that 20 energy inlets in the form of a coaxial line are provided at both ends of the excitation chamber.
  • a possibility of coolant distribution and supply is also shown.
  • the excitation energy is transmitted to the excitation chamber 20 by means of a semiconductor, in which the coolant for the outer conductor 17 is now guided at the same time.
  • the inner conductor 16 is essentially tubular, the coolant also being guided in the inner conductor 16. If the excitation energy is supplied, for example, via the coaxial waveguide, the coolant inlets 14, 25 for the inner conductor 16 and the outer conductor 17 can thus be arranged close to one another, which considerably reduces the structural outlay for a cooling device.
  • the outer conductor 17 is designed such that it only surrounds a segment of the rib-shaped, cylindrical insulator 18. It is preferably opposite the inner conductor 16. In the embodiment shown, the outer conductor 17 is connected to the coaxial outer conductor 18a via conductive bridges 17a. Alternatively, the connection is only capacitive via the electromagnetic wave.
  • Figure 7 shows separate feeds for the outer conductor 17 and the inner conductor 16.
  • the outer conductor 17 is connected to a first coaxial conductor 32, via which part of the excitation energy is transmitted, and the center conductor is hollow to the coolant to the outer conductor 17th supply.
  • the inner conductor 16 is connected in a comparable manner to a second coaxial conductor 33, via which a further part of the excitation energy is transmitted, and the center conductor of which is hollow in order to supply the coolant to the inner conductor 16.
  • the inner conductor 16 and the outer conductor 17 are connected to one another at their bottom ends to form a U-shaped cooling loop 36.
  • the cooling loop 36 receives the excitation chamber 20 between them.
  • a coolant inlet 34 is arranged on one leg of the U-shaped cooling loop 36 and a coolant outlet 35 is arranged on the other leg.
  • a further embodiment of the present invention is shown. There, the accesses for the excitation energy are arranged on opposite ends of the excitation chamber.

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen in einem Plasma mit einem Generator (11) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle und einer Anregungskammer (20) mit einer Plasmazone, in der die angeregten und/ oder ionisierten Teilchen gebildet werden, beschrieben. Mindestens eine Anregungskammer ist in einem Isolatormaterial (18) außermittig zu einem ringzylindrischen Außenleiter (17) angeordnet.

Description

VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG ANGEREGTER UND/ ODER IONISIERTER TEILCHEN IN EINEM PLASMA UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG IONISIERTER TEILCHEN
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen in einem Plasma mit einem Generator zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle und einer Anregungskammer mit einer Plasmazone, in der die angeregten und/ oder ionisierten Teilchen gebildet werden, wobei die Anregungskammer zwischen einem Innenleiter und einem Außenleiter liegt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen in einem Plasma mittels dieser Vorrichtung.
[0002] Für die Herstellung von Silizium Halbleiterbauelementen und im allgemeinen für Beschich- tungsverfahren werden heute oft Plasmabeschichtungsverfahren verwendet. Das Beschichten erfolgt in einer Anregungskammer mit einer Plasmazone, in der angeregte und/oder ionisierte Teilchen gebildet werden.
[0003] Eine Vorrichtung dieser Art ist in DE-A1-19847848 beschrieben. Mit dieser Vorrichtung werden gute Ergebnisse bei einer Vielzahl von Anwendungsgebieten erzielt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem in Hinblick auf weitere Anwendungsgebiete jeweils Plasma mit gezielt steuerbaren Eigenschaften besser erzeugt werden kann.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
[0006] Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma vorgesehen. Die Vorrichtung weist einen Generator zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle und eine Anregungskammer mit einer Plasmazone auf, in der die angeregten und/ oder ionisierten Teilchen gebildet werden. Weiterhin sind ein Innenleiter und ein Außenleiter vorgesehen, um durch Anlegen von elektrischen Spannungen mit geeigneter Frequenz ein Plasma zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist in der Vorrichtung mindestens eine Anregungskammer in einem Isolatormaterial aus- sermittig zu einem ringzylindrischen Außenleiter angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, mehrere außermittig zum Außenleiter angeordnete Anregungskammern in dem Isolatormaterial anzuordnen, die um die Mittelachse des ringzylindrischen Außenleiters verteilt sind.
[0007] Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Plasmaerzeugung zur Verfügung zu stellen, bei dem in den mehreren Anregungskammern Plasmen aus unterschiedlichen Prozessgasen erzeugt werden können. Dennoch kann durch Mischung der Plasmen und Zuführung der Plasmamischung auf das Werkstück ein optimales Arbeitsergebnis erzielt werden. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn sich die in den einzelnen Kammern erzeugten Plasmen im Arbeitsbereich am Werkstück mischen. Bevorzugt sind die Auslässe der Kammern in einen gemeinsamen Ausgang zusammengeführt sind, so dass sich die Plasmen bereits in der Ausgangsleitung mischen.
[0008] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, angeregte Teilchen in einem räumlich durch Elektroden und Isolatoren sehr begrenzten Plasma hoher Dichte zu erzeugen. Die Teilchen werden anschließend als neutrale angeregte Teilchen in entsprechende Reaktionsräume geleitet, um Werkstücke zu bearbeiten. Im Gegensatz zu Vorrichtungen, bei denen die elektromagnetische Welle direkt in den Reaktionsraum, in dem sich das Werkstück befindet, eingekoppelt wird, und die angeregten Teilchen so die Oberflächen des Reaktionsraumes angreifen können, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Ort der Plasmaerzeugung sehr begrenzt und bietet somit eine geringere Angriffsfläche.
[0009] Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass den Kammern unterschiedliche Prozessgase zugeführt werden, und dass die Plasmaerzeugung in den einzelnen Kammern aufgrund unterschiedlicher Parameter erfolgt. Die Parameter zur Erzeugung eines Plasmas sind grundsätzlich bekannt.
[0010] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
[0011] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen schematisch:
Figur 1 einen Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen; Figur 2 eine Querschnittsdarstellung durch das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen entlang der Schnittlinie HI-HI; Figur 3 eine Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vor- richtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen;
Figur 4 eine Schnittdarstellung durch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen;
Figur 5 eine Schnittdarstellung durch ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen;
Figur 6 eine Schnittdarstellung durch ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen;
Figur 7 eine Schnittdarstellung durch ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen; und
Figur 8 eine Schnittdarstellung durch ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen.
[0012] In Figur 1 ist als ein erstes Ausführungsbeispiel eine Plasmaerzeugereinheit zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen in einem Plasma vorgesehen. Die Plasmaerzeugereinheit weist einen Generator 11 zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle mit einer Anregungsfrequenz auf. Als Generator 11 kann beispielsweise ein Magnetron verwendet werden, welches Mikrowellen erzeugt. Über eine Antenne 13 wird die Mikrowelle in einen Hohlleiter 12 eingekoppelt, um die Mikrowelle einer Anregungskammer 20 der Plasmaerzeugereinheit zuzuführen.
[0013] In der Nähe des der Antenne 13 gegenüberliegenden Endes des Hohlleiters 12 ist ein Einkoppelteil 15 für einen Innenleiter 16 angeordnet. Des weiteren ist ein Außenleiter 17 vorgesehen, wobei sich zwischen dem Innenleiter 16 und dem Außenleiter 17 eine Anregungskammer 20 befindet. Die Anregungskammer 20 ist in einem zylinderförmigen Isolator 18 ausgebildet, der einstückig oder mehrstückig aus einem oder mehreren verschiedenen Isolatormaterialien gefertigt sein kann. Der Isolator 18 ist vorzugsweise kreiszylinderförmig ausgestaltet. Mögliche Isolatormaterialien können Keramik oder Glas aufweisen, die die durch das Plasma entstehende Wärme gut von den Oberflächen in der Anregungskammer 20 wegleiten können.
[0014] Die Anregungskammer 20 hat einen Gaseinlass 22 für ein Prozessgas und einen Gasauslass 23 zum Auslassen von angeregten Teilchen. Der Gasauslass 23ist in der Anregungskammer 20 vorzugsweise von dem Gaseinlass 22 entfernt angeordnet, insbesondere an einer Stirnseite des Isolators 18, um eine gleichmäßige Durchströmung der Anregungskammer 20 mit Prozessgas zu ermöglichen. Das Volumen, die Form, der Querschnitt, die Länge in Durchlaufrichtung, das Wandmaterial und die Anordnung der Kammern zwischen dem Innenleiter 16 und dem Außenleiter 17 und die Wahl des zugehörigen Isolators werden je nach der gewünschten Anwendung und den zu verarbeitenden Gasen ausgewählt. Insbe- sondere ist in der Gaseinlass 22 nahe dem Generator 11 und der Gasauslass 23 auf dem bezüglich der Anregungskammer 20 gegenüberliegenden Ende angeordnet.
[0015] Die Anregungskammer 20 weist eine Wandbeschichtung 19 mit einem weiteren Isolatormaterial auf, wie z.B. SiOz, Al203, AIN, Zr02. In der Anregungskammer 20 wird ein Plasma mit dem Prozessgas erzeugt. Beispielsweise werden über den Gaseinlass 22 Helium, NF3 und/oder Wasserstoff zur Erzeugung eines Plasmas zugeführt.
[0016] Zur Kühlung wird der Innenleiter 16 über einen Kühlmitteleinlass 14 und der Außenleiter 17 über einen Kühlmitteleinlass 25 mit Kühlmittel versorgt, so dass der Innenleiter 16 und der Außenleiter 17 auf einer für die Plasmaerzeugung optimalen Temperatur gehalten werden können. Das Kühlmittel sorgt dafür, dass die bei dem Entstehen des Plasmas erzeugte Wärme schnell zu dem Innenleiter 16 und/oder Außenleiter abgeführt wird und somit die Wände der Anregungskammer 20 möglichst kühl gehalten werden, so dass der chemische Angriff des Plasmas auf die innere Oberfläche der Anregungskammer 20 minimiert wird.
[0017] An dem Gasauslass 23 der Anregungskammer 20 ist ein Gasverteiler 28 angeordnet, der vorzugsweise mit einer Kühleinrichtung (nicht gezeigt) gekühlt ist, um den chemischen Angriff der angeregten Teilchen auf die Oberfläche des Gasverteilers zu verringern. Vorzugsweise ist der Gasverteiler 28 kegel- oder trichterförmig ausgebildet, um eine gleichmäßige Verteilung der angeregten Teilchen auf einem Werkstück zu erreichen.
[0018] In Figur 2 ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie lll-lll dargestellt. Man erkennt, dass die Anregungskammer 20 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und außermittig in dem kreiszylindrischen Isolator 18 angeordnet ist. Der Innenleiter 16 ist weist ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist parallel zur Isolatorachse außermittig so angeordnet, dass auf der längsten Verbindungslinie zum Umfangsrand die Anregungskammer 20 liegt. Der Außenleiter 17 kann sich um den gesamten Umfang des Bereichs zylindrischen Senators 18 erstrecken. Vorzugsweise, um die Energieverluste zu reduzieren, ist der Außenleiter 17 in der gezeigten Ausführungsform als Zylindersegment so auf dem Umfangsrand des Isolators 18 angeordnet, dass die Anregungskammer 20 im Wesentlichen zwischen Außenleiter 17 und Innenleiter 16 liegt.
[0019] Elemente gleicher Funktion in den nachfolgenden Ausführungsformen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
[0020] In der Figur 3 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Plasmaerzeugereinheit dargestellt. Die Plasmaerzeugereinheit weist drei Anregungskammern 20 auf, die in dem Isolator 18 gleichmäßig um den Innenleiter 16 angeordnet sind. Der Innenleiter 16 ist im Unterschied zur vorhergehenden Ausführungsformen mittig in dem Isolator 18 angeordnet, so dass Innenleiter 16 und Außenleiter 17 koaxial zueinander ausgebildet sind. Die Anregungskammern 20 sind gleichmäßig um den Innenleiter 16 gruppiert, so dass diese jeweils den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Die jeweiligen Verbindungslinien zwischen dem mittigen Innenleiter 16 und den Mittelpunkten der Anregungskammern 20 weisen zueinander einen Winkel von 120° auf.
[0021] Es können auch mehr als drei Anregungskammern 20 in dem Isolator 18 vorgesehen sein. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Anregungskammern 20 in jedem Fall durch Isolatormaterial voneinander getrennt sind. Eine größere Anzahl von Anregungskammern 20 hat daher zur Folge, dass sich bei gleichbleibenden Radius des Isolators 18 die Größen der Kammern 20 verkleinern. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die mehreren Anregungskammern 20 mit gleicher Querschnittsfläche bzw. mit gleichem Durchmesser vorgesehen werden. Die Querschnittsgrößen der Anregungskammern können unterschiedlich sein und ihrer zugedachten Verwendung angepasst sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, Paare von Anregungskammern 20 gleichen Durchmessers im Isolator 18 anzuordnen , wobei zwei sich paarweise gegenüberliegende Anregungskammern gleiche Durchmesser haben. Zudem muss die Form des Querschnitts der Anregungskammern 20 nicht kreisförmig sein, sondern kann im wesentlichen beliebige geometrische Formen annehmen, die sich für die Erzeugung eines Plasmas eignen. Insbesondere können die Abstände der Anregungskammern 20 zum Innenleiter 16 und/ oder Außenleiter 17 jeweils unterschiedlich sind.
[0022] Die Anregungskammern 20 sind in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen auf gleiche Weise ausgebildet, wie bereits mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben. Der Durchmesser der Anregungskammer 20 ist jedoch bei dieser Ausführungsform kleiner als der Abstand zwischen dem Umfangrand des Isolators 18 und dem Außenrand des Innenleiters 16, so dass die Anregungskammer 20 vollständig vom Isolatormaterial des Isolators 18 umgeben ist.
[0023] Um den Anregungskammern 20 eine unterschiedliche Anregungsfrequenz zuzuführen, kann vorgesehen sein, dass jeder der Anregungskammern 20 als Außenleiter 17 ein Zylindersegment zugeordnet ist. So kann für jede der Anregungskammern 20 eine eigene Anregungsfrequenz mit Hilfe eines eigenen Generators 11 zur Verfügung gestellt werden, wobei der Innenleiter 16 von jedem der Generatoren 11 genutzt wird. Durch diese Anordnung ist es weiterhin möglich, die Anregungskammern 20 im wesentlichen voneinander unabhängig zu betreiben. Jede der Anregungskammern 20 weist dazu einen eigenen Gaseinlass 22 auf, so dass verschiedene Prozessgase in jede der Anregungskammern 20 eingeleitet werden können. Die Gasauslässe 23 der Anregungskammern 20 können stirnseitig angeordnet und in einem gemeinsamen Ausgang zusammengeführt sein.
[0024] Im Wesentlichen geht es u.a. darum, in den mehreren Anregungskammern 20 verschiedene Plasmen zu erzeugen, indem den Anregungskammern unterschiedliche Prozessgase zugeführt werden. Die Plasmaerzeugung ist in den einzelnen Anregungskammern 20 unterschiedlich, wobei die Prozessgase und die geometrischen Bedingungen der Kammern 20 vorzugsweise so aufeinander abgestimmt sind, dass die Plasmaerzeugung optimiert ist.
[0025] In Figur 4 ist eine dritte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Isolator 18 dem Innenleiter 16, der Anregungskammer 20 und dem an dem Umfangsrand des Isolators 18 angebrachten Außenleiter 17. Der Gaseinlass 22 ist mit einem rohr- förmigen Gasverteiler 29 verbunden, der sich im Inneren der Anregungskammer 20 erstreckt. Der Gasverteiler 29 weist Gaseinlassöffnungen 30 auf, durch die die dem Gaseinlass 22 zugeführten Prozessgase in der Kammer 20 verteilt werden. Insbesondere ist der Gasverteiler 29 in einem Randabschnitt der Anregungskammer 20 angeordnet, der möglichst nahe an dem Innenleiter 16 und möglichst weit von dem Außenleiter 17 entfernt liegt. An einem weiteren, dem Außenleiter 17 zugewandten Randabschnitt der Anregungskammer 20 sind Gasauslässe 24 angeordnet.
[0026] Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Anregungskammer 20 vier Gasauslässe 24 auf, die im Wesentlichen gleichmäßig über die Länge der Anregungskammer verteilt sind. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung des ausgelassenen angeregten Teilchen erreicht, wodurch diese möglichst gleichmäßig verteilt auf ein Werkstück gelangen können. Dies ist je nach Anwendung vorteilhaft gegenüber nur einem Gasauslass 24. Um eine noch gleichmäßigere Verteilung der angeregten Teilchen auf dem Werkstück zu erreichen, kann die Anregungskammer mit einem sich über ihre Länge erstreckenden Gasauslass versehen sein. Dieser Gasauslass kann als Schlitz mit definierter Länge und Breite vorgesehen sein.
[0027] Insbesondere sind die Gasauslässe 24 und die Gaseinlassöffnungen 30 bezüglich der Länge der Anregungskammer 20 zueinander versetzt angeordnet, dass beim Durchströmen der Prozessgase durch die Anregungskammer 20 die Prozessgase einen längeren Weg in der Anregungskammer 20 zurücklegen müssen und somit die Aufenthaltszeit in der Kammer 20 erhöht ist.
[0028] Der Außenleiter 17 liegt im wesentlichen am Umfangsrand des zylinderförmigen Isolators 18 an, wobei die Gasauslässe 24 den Außenleiter 17 und den Isolator 18 durchdringen. Der Außenleiter 17 ist so ausgeführt, dass Kühlmittel hindurch geleitet werden kann, um den Außenleiter 17 sowie das be- nachbarte Isolatormaterial des Isolators 18 zu kühlen. Eine ausreichende Kühlung des Isolators 18 sowie des Innenleiters 16 und Außenleiters 17 ist notwendig, um höchste Plasmaleistungen zu erreichen.
[0029] Die in Figur 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 4 im Wesentlichen dadurch, dass an beiden Enden des zylinderförmigen Isolators 18 externe Anschlüsse für den Innenleiter 16 und den Außenleiter 17 vorgesehen sind, wobei der Innenleiter 16 zwei offene Enden aufweist, so dass von beiden Seiten elektrische Energie in Form einer elektromagnetischen Welle über eine Koaxialleitung zugeführt werden kann, und Kühlmittel von einem Ende zum anderen hindurchfließen kann. Dadurch kann abhängig von der Durchströmung des Kühlmittels eine bessere Kühlwirkung des Innenleiters 16 und des umgebenden Isolators 18 erreicht werden.
[0030] Die Ausführungsform nach Figur 6 zeigt, dass an beiden Enden der Anregungskammer 20 Ener- gieeinlässe in Form einer Koaxialleitung vorgesehen sind. In Figur 6 ist weiterhin eine Möglichkeit der Kühlmittelverteilung und -Zuführung dargestellt. Die Anregungsenergie wird an die Anregungskammer 20 mittels eines Hohleiters übertragen, in dem nun gleichzeitig das Kühlmittel für den Außenleiter 17 geführt wird. Der Innenleiter 16 ist im wesentlichen rohrförmig ausgebildet, wobei in dem Innenleiter 16 ebenfalls das Kühlmittel geführt ist. Wenn die Zuführung der Anregungsenergie beispielsweise über den koaxialen Hohlleiter erfolgt, können somit die Kühlmitteleinlässe 14,25 für den Innenleiter 16 und den Außenleiter 17 nahe beieinander angeordnet werden, wodurch sich der bauliche Aufwand für eine Kühleinrichtung erheblich verringert.
[0031] Des Weiteren ist der Außenleiter 17 so ausgeführt, dass er nur ein Segment des rippenförmigen, zylindrischen Isolators 18 umschließt. Vorzugsweise liegt er gegenüber dem Innenleiter 16. Der Außenleiter 17 ist in der dargestellten Ausführungsform über leitende Brücken 17a mit dem Koaxialaußenleiter 18a verbunden. Alternativ erfolgt die Verbindung nur kapazitiv über die elektromagnetische Welle.
[0032] Figur 7 zeigt getrennte Zuführungen für den Außenleiter 17 und den Innenleiter 16. Der Außenleiter 17 ist mit einem ersten Koaxialleiter 32 verbunden, über den ein Teil der Anregungsenergie übertragen wird, und dessen Mittenleiter hohl ausgeführt ist, um das Kühlmittel dem Außenleiter 17 zuzuführen. Der Innenleiter 16 ist auf vergleichbare Weise mit einem zweiten Koaxialleiter 33 verbunden, über den ein weiterer Teil der Anregungsenergie übertragen wird, und dessen Mittenleiter hohl ausgeführt ist, um das Kühlmittel dem Innenleiter 16 zuzuführen. Bei dieser Ausführungsform sind der Innenleiter 16 und der Außenleiter 17 an ihren bodenseitigen Enden zur Bildung einer U-förmigen Kühlschleife 36 miteinander verbunden. Die Kühlschleife 36 nimmt die Anregungskammer 20 zwischen sich auf. An einem Schenkel der U-förmigen Kühlschleife 36 ist ein Kühlmittel-Einlass 34 und am anderen Schenkel ein Kühlmittel-Auslass 35 angeordnet. [0033] In Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dort sind die Zugänge für die Anregungsenergie auf einander gegenüberliegenden Enden der Anregungskammer angeordnet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen in einem Plasma mit einem Generator zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle und einer Anregungskammer mit einer Plasmazone, in der die angeregten und/ oder ionisierten Teilchen gebildet werden, und mit einem Innenleiter und einem Außenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Anregungskammer in einem Isolatormaterial außermittig zu einem ringzylindrischen Außenleiter angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere außermittig zum Außenleiter angeordnete Anregungskammern in dem Isolatormaterial angeordnet sind, die um die Mittelachse des ringzylindrischen Außenleiters verteilt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungskammern symmetrisch um die Mittelachse des ringzylindrischen Außenleiters verteilt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Anregungskammern zum Innenleiter und/ oder Außenleiter unterschiedlich sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslässe der Anregungskammern in einem gemeinsamen Ausgang zusammengeführt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der Anregungskammern unterschiedlich sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Paare von Anregungskammern gleichen Durchmessers vorhanden sind, und dass zwei sich paarweise gegenüberliegende Anregungskammern gleiche Durchmessesser haben.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Anregungskammern unterschiedlichen Isolatormaterialien aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungskammern in Blöcken aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter außermittig zum ringzylindrischen Außenleiter angeordnet ist und neben der mindestens einen Anregungskammer liegt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter koaxial zum Außenleiter angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter in Form eines Ringzylindersektors ausgebildet ist, und dass die mindestens eine Anregungskammer zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter mehrere Segmente aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Segmente nicht elektrisch leitend mit dem Koaxialaußenleiter verbunden sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Innenleiter vorhanden sind, die an ihren bodenseitigen Enden zur Bildung einer U-förmigen, die Anregungskammer zwischen sich aufnehmenden Kühlvorrichtung miteinander verbunden sind, wobei an einem Schenkel ein Kühlmittel-Einlass und am anderen Schenkel ein Kühlmittel-Auslass vorhanden ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Anregungskammer ein mit dem Gaseinlass verbundener Gasverteiler angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler als Rohr mit verteilten Auslassöffnungen ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungskammer mit mehreren über ihre Länge verteilten Gasausgängen versehen ist.
20. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungskammer mit einem sich über ihre Länge erstreckenden Gasausgang versehen ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasausgang als Schlitz ausgebildet ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Gasausgang der Anregungskammer ein Gasverteiler angeordnet ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler gekühlt ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler kegelförmig ausgebildet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungskammer zwei gegenüberliegende Energieeinlässe hat.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Innen- und/oder Außenleiter bezüglich der Anregungskammer jeweils zwei gegenüberliegende Einlasse aufweist bzw. aufweisen.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass des Innenleiters und der Einlass des Außenleiters bezüglich der Anregungskammer gegenüber liegen.
28. Verfahren zur Erzeugung angeregter und/ oder ionisierter Teilchen in einem Plasma mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 mit mehreren Anregungskammern, dadurch gekennzeichnet, dass den Anregungskammern unterschiedliche Prozessgase zugeführt werden, und dass die Plasmaerzeugung in den einzelnen Anregungskammern unterschiedlich ist.
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