EP2606503A1 - Plasma-prozesse bei atmosphärendruck - Google Patents
Plasma-prozesse bei atmosphärendruckInfo
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- EP2606503A1 EP2606503A1 EP11758137.1A EP11758137A EP2606503A1 EP 2606503 A1 EP2606503 A1 EP 2606503A1 EP 11758137 A EP11758137 A EP 11758137A EP 2606503 A1 EP2606503 A1 EP 2606503A1
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Definitions
- the invention relates to a device for processing surfaces of a substrate by plasma, which can operate at atmospheric pressure or at near atmospheric pressure.
- Plasma-assisted processes find a variety of applications in surface treatment. Particularly noteworthy here are reactive ion etching, sputtering and reactive sputtering.
- reactive ion etching structures are to be etched into a workpiece while the goal of sputtering is to apply thin layers to the workpiece.
- the geometric extent of the plasma corresponds to that of the vacuum chamber in which the workpiece to be machined, usually called substrate, is placed. Since substrates in the range of a few millimeters to a few meters are to be processed industrially by plasma processes, correspondingly large plasmas must be generated stably. This requires working in said pressure range because the plasma otherwise collapses or filaments and thus becomes unsuitable for surface processing. Working at low pressures requires on the one hand high expenditure for the generation of negative pressure, on the other hand a reduced throughput of the production line due to the time required for this before the actual processing of the substrate.
- the invention therefore provides a device for the treatment of surfaces of a substrate introduced by a plasma that can operate at atmospheric pressure or near-atmospheric pressures.
- near-atmospheric pressure is understood to mean a pressure of between one-tenth of the atmospheric pressure and atmospheric pressure standard.
- the device comprises a plasma source, an at least partially conductive first
- the plasma source is configured to generate a plasma and into a plasma chamber with a longitudinal one running along a main component of movement of the plasma
- the first receiving device is designed to receive a first workpiece.
- the voltage source is formed, a first
- the first recording device is arranged and designed relative to the plasma source so as to place the first workpiece so that the plasma is applied when the first
- the invention is based on the use of a plasma source instead of the ignition of a plasma in a vacuum chamber.
- a plasma source continuously generates plasma and ejects it like a gas burner because of the supply of gas to be ionized. It is also possible to use a pulsed or modulated plasma source, however, such a plasma source discharges plasma during the entire operating time and is therefore suitable for use in the context of the invention.
- the plasma so generated by the plasma source recombines after a certain time, so that a plasma chamber results in an expansion dependent on various parameters such as the pressure and the gas or gas mixture used.
- Plasma space here refers to the space in which free charge carriers are to be found.
- the longitudinal plasma expansion of the plasma chamber is usually in the millimeter range. Although at such comparatively high pressures, a plasma can not be stably generated, due to the continuous generation of a plasma by the plasma source, ions are available for surface processing at all times.
- the invention includes the recognition that the free charge carriers generated by the plasma source can generate an additional plasma-the secondary plasma-as primary plasma.
- the voltage source applies a first acceleration voltage to the first receiving device acting as the electrode, the free ones are applied
- the plasma can reach the first workpiece, so that ions from the plasma can impinge on the first workpiece. Due to the increase in plasma upon application of the first accelerating voltage, a number of experimental setups may be necessary to optimize one for a given workpiece
- the device may comprise a vacuum chamber in which the plasma source and the first receiving device are arranged and which is adapted to a pressure in the
- Vacuum chamber of between one-tenth of the atmospheric pressure and
- the first acceleration voltage may be a DC voltage whose sign is chosen such that the potential of the first recording device is negative with respect to the potential of the plasma.
- the first acceleration voltage is preferably between -100 and -1000 V.
- the first acceleration voltage may be an alternating voltage with a frequency of less than 100 MHz.
- the apparatus may comprise a second receiving device for a second workpiece, wherein the first workpiece is a target and the second workpiece is a substrate and the
- Device is designed to release material from the target and transferred to the substrate.
- This particularly preferred embodiment of the invention can be used for sputtering processes, which involve dissolving material from a target by ion bombardment and applying it to a substrate, ie to the actual workpiece.
- the target consumes itself over many process cycles and is therefore replaced at intervals.
- embodiments without a second receiving device can be used for reactive ion etching, in which the target represents the actual workpiece and by the ion bombardment in
- the second receiving device may be at least partially conductive and connected to the voltage source.
- the voltage source is designed to generate a second acceleration voltage and to the second Create recording device. Due to the comparatively high pressure according to the invention, the density of the gas located between the target and the substrate is correspondingly high, so that the particles dissolved from the target are relatively strongly decelerated by the gas on their way to the substrate. For certain materials, the reduced velocity of the target particles may cause the problem that the particles adhere poorly to the substrate. Therefore, a second accelerating voltage applied to the substrate via the second pick-up device may be useful (provided that the substrate itself is conductive, otherwise the second pick-up device itself acts as an electrode). This second
- Acceleration voltage accelerates the ions in the plasma in the direction of the substrate and indirectly leads to further collision processes between the ions and the target particles
- the second acceleration voltage is preferably between -10 and -100 V.
- the first receiving device may be configured to receive a cylindrical target.
- the first receiving device is preferably arranged relative to the plasma source so that the plasma, the cylindrical target by a along the cylinder axis of the
- the cylindrical target can be arranged directly on the plasma source, so that the first receiving device in the
- Plasma source is integrated.
- An advantage of such a cylindrical target arrangement is that the plasma flows through the target and its flow velocity promotes the transport of the target particles to the substrate.
- the substrate can be arranged directly in the direction of movement of the plasma.
- the plasma source may have a cylindrical resonator, the target preferably being wire-shaped and arranged or arrangeable along the cylinder axis of the resonator.
- the target can assume the function of an inductance and be part of a resonant circuit which comprises the target and the resonator as an LC element.
- the high-frequency oscillation generated by the resonant circuit then generates the plasma, which flows out through a hole in the resonator, preferably arranged in the resonator axis, in the vicinity of the target tip.
- the device preferably has a frequency determination unit connected to the first recording device, which is designed to determine the frequency of a signal applied to the cylindrical resonator, to compare the determined frequency with a predetermined or predefinable reference frequency and to output a result signal which is a result of the comparison displays.
- the first recording device is designed to displace the wire-shaped target along the cylinder axis of the resonator, wherein a displacement direction of the displacement is dependent on the result signal.
- the resonant frequency of the array formed by the resonator and the wire-shaped target depends on the length of the wire-shaped target within the resonator and can therefore be influenced by shifting the target within the resonator. Conversely, however, this also means that the frequency of the vibration provides information about the distance between the tip of the wire-shaped target and the hole in the resonator.
- This embodiment takes advantage of this control loop by shifting the wire-shaped target, which is progressively removed at its tip by the action of the plasma, depending on the particular frequency, so that the tip of the target is always at a desired distance from the hole can be held in the resonator.
- the second recording device may be configured to move along a first control signal along a first direction and a second control signal along a second direction, which crosses the first direction.
- a second control signal along a second direction, which crosses the first direction.
- the device which is adapted to move a substrate accordingly.
- the device has a control unit which is designed to receive geometry data and to move the second recording device by outputting first and second control signals derived from the geometry data relative to the first recording device in such a way that the material released from the target reaches one through which the Geometry data predetermined area of the surface of the substrate is transmitted.
- This embodiment permits transfer of target material to that part of the substrate which is guided by the second receiving device through the area of action of the plasma.
- a similar method of printing is possible, which can be used, for example, advantageous in the coating of printed circuit boards by printed conductors directly on the circuit boards.
- Plastic housings may also be used as the substrate, so that the circuit of an electronic device is applied directly to an inner side of the housing, which offers great savings in the production of electronic devices.
- the first receiving device and the second receiving device are preferably arranged relative to one another such that a distance between a target located in the first receiving device and a substrate located in the second receiving device is less than 3 ⁇ m. This small distance enables reliable and accurate transfer of target material to the substrate.
- the second recording device may be configured to move along a third control signal along a third direction, wherein the third direction spans a space with the first and the second direction.
- the device has a
- the control unit is designed to set the distance between the target located in the first receiving device and the substrate located in the second receiving device by outputting corresponding third control signals. This embodiment makes it possible to maintain a constant distance to the surface of the substrate.
- a target is a replaceable article of wear while the substrate is the workpiece to be machined.
- the target and the substrate are basically not to be regarded as co-determining the scope of protection.
- Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
- Fig. 2 shows a second embodiment of the invention with a cylindrical target
- Fig. 3 shows a third embodiment of the invention, also with a cylindrical target
- FIG. 4 shows a fourth embodiment of the invention with a wire-shaped target
- Fig. 5 shows a fifth embodiment of the invention with a arranged in a resonator wire-shaped target.
- FIG 1 shows a first embodiment of the invention.
- a plasma source 1 generates a plasma 2 and ejects it.
- a workpiece 5 is arranged in a first receiving device 3-1. In the simplest case, this first
- Recording device 3-1 be the bottom of a chamber in which the plasma source 1 is arranged.
- the first receiving device 3-1 is at least partially electrically conductive and connected to a voltage source 4, which is negative with respect to the plasma source 1
- the workpiece 5 itself is electrically conductive, it is sufficient if the voltage generated by the voltage source 4 passes through a contact point between the workpiece 5 and the first receiving device 3-1 to the workpiece 5, since the workpiece 5 in this case itself as an electrode for the acceleration of the ions to be extracted from the plasma 2 can act.
- the first receiving device 3-1 is preferably flat, so that along the entire extent of the workpiece 5 ions following the first receiving device 3-1 acting as an electrode following electric field to the workpiece. 5 can reach.
- the embodiment of Figure 1 can be used for cleaning surfaces or for etching processes.
- a gas mixture may be used, which in addition to the plasma gas (generally preferred argon) contains chemical etchant.
- the workpiece 5 is sometimes referred to in the literature as a target, because the ions from the plasma 2 hit the workpiece 5 and knock out particles there. On the other hand, it is also referred to as a substrate because the workpiece 5 is the actual object to be processed.
- the target refers to a source of material for the material that is to be transferred to the surface of a substrate as part of the coating.
- Figure 2 shows a second embodiment of the invention, which is geeginet for sputtering processes and a cylindrical target 5 has.
- the figure shows a cross-sectional drawing, so that the executed as a hollow cylinder target 5 in the representation decays into two rectangular areas, which are arranged on both sides of the plasma 2.
- the plasma 2 can be the target 5
- Acceleration voltage triggered ion bombardment Dissolve particles from the target 5.
- acceleration voltage pass from particles of the target material on the surface of the substrate 6. Wrd a second
- Recording device 3-2 act as an electrode, in a conductive substrate 6, the substrate 6 itself can take over the function of the electrode.
- the second receiving device 3-2 can once again be the bottom of a chamber in which the plasma source 1 is arranged.
- Figure 3 shows a third embodiment of the invention, as the embodiment of Figure 2 also with a cylindrical target 5.
- the embodiment corresponds substantially to that of Figure 2, so that what is said there also applies to the embodiment of Figure 3.
- the target 5 consists of a non-conductive material. That is why the first receiving device 3-1, which may be designed, for example, as a target 5 enclosing the hollow cylinder, at least partially made of an electrically conductive material that can serve as an electrode for the first acceleration voltage and is connected to the voltage source 4.
- the voltage source 4 is in this case designed to generate a high-frequency alternating voltage, preferably in the range from a few kilohertz to about 100 megahertz.
- the non-conductive target 5 acts as a dielectric in this case, so that the electric field generated by the voltage source 4 to the target 2
- the voltage source 4 can be coupled via an optional coupling capacitor 7 to the first receiving device 3-1.
- Figure 4 shows a fourth embodiment of the invention with a wire-shaped target 5.
- the target 5 is hereby introduced laterally into the plasma stream.
- the ablation of the target material takes place mainly at the tip of the wire-shaped target 5 located in the plasma 2. Therefore, the first receiving device 3-1, not shown, is preferably designed to track the wire-shaped target 5 by displacement along the longitudinal axis of the wire-shaped target 5, so that the tip of the target 5 at any time in the Wrkungs Scheme of the plasma 2 is located.
- FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of the invention with a wire-shaped target 5 arranged in a resonator 8.
- the resonator 8 forms a central component of the plasma source.
- the resonator forms, together with the wire-shaped target 5, an LC resonant circuit which is externally connected through a active element can be stimulated.
- the high-frequency oscillation generated in this way ignites a gas discharge in a gas conducted through the resonator, so that the plasma 2 exits at a hole located in an end face of the resonator.
- the gas discharge is ignited at a distance between the tip of the wire-shaped target 5 and the edge of the hole, because there is the strongest electric field.
- the wire-shaped target 5 acts as a dipole in the device and determines the resonant frequency of the device. By shifting the target 5 along the Resonantorachse therefore the resonance frequency can be influenced. However, this also means that the resonant frequency of the resonant circuit provides the plasma source with information about the position of the tip of the wire-shaped target 5. This makes it possible to build a control loop in which the first receiving device, not shown here, nachschiebt continuously, so that on the one hand the generation of the plasma 2 is not interrupted, on the other hand always enough target material for the sputtering process for Available. In order to ensure the transport of the wire-shaped target 5, a passage 9 can be provided on the rear wall of the resonator 8, which seals the resonator as gastight as possible, but the movement of the wire-shaped target 5 is not prevented.
- the dipole can also be realized by a waveguide, in the interior of which the wire-shaped target is guided to the tip of the waveguide.
- inventions of Figures 2 to 5 can be similar to a printer head for a targeted application of coatings on selected areas of the substrate use, which opens up a variety of applications. So it is possible, for example
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen eines Substrates durch ein Plasma. Sie umfasst eine Plasmaquelle, welche ausgebildet ist, ein Plasma zu erzeugen und in einen Plasmaraum mit einer entlang einer Hauptbewegungskomponente des Plasmas verlaufenden longitudinalen Plasmaausdehnung auszustoßen, eine wenigstens teilweise leitfähige erste Aufnahmevorrichtung, welche ausgebildet ist, ein erstes Werkstück aufzunehmen, und eine mit der ersten Aufnahmevorrichtung verbundenen Spannungsquelle, welche ausgebildet ist, eine erste Beschleunigungsspannung zu erzeugen und an die erste Aufnahmevorrichtung anzulegen. Die erste Aufnahmevorrichtung ist relativ zu der Plasmaquelle so angeordnet und ausgebildet, das erste Werkstück so zu platzieren, dass das Plasma bei Anlegen der ersten Beschleunigungsspannung das erste Werkstück erreicht.
Description
Plasma-Prozesse bei Atmosphärendruck
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Oberflächen eines Substrates durch Plasma, welche bei Atmosphärendruck oder bei atmosphärennahem Unterdruck arbeiten kann.
Stand der Technik
Plasmagestützte Verfahren finden vielfältige Anwendungen bei der Oberflächenbearbeitung. Besonders hervorzuheben sind hierbei das Reaktive lonenätzen, die Kathodenzerstäubung (Sputtern) und die reaktive Kathodenzerstäubung. Beim Reaktiven lonenätzen sollen Strukturen in ein Werkstück geätzt werden, während es Ziel des Sputterns ist, dünne Schichten auf das Werkstück aufzubringen.
Bei den derzeit industriell eingesetzten Verfahren wird in einer Unterdruckkammer eine
Gasentladung (Plasma) in einem Niederdruckbereich zwischen ca. 0,01 Pa und 10 Pa
beispielsweise durch eine Gleichspannung oder eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt. Die geometrische Ausdehnung des Plasmas entspricht dabei der der Unterdruckkammer in der das zu bearbeitende Werkstück, üblicherweise Substrat genannt, platziert wird. Da Substrate im Bereich von wenigen Millimetern bis zu einigen Metern industriell mit Plasmaprozessen bearbeitet werden sollen, müssen entsprechend große Plasmen stabil erzeugt werden. Dies erfordert ein Arbeiten in dem genannten Druckbereich, weil das Plasma ansonsten kollabiert oder filamentiert und somit für die Oberflächenbearbeitung ungeeignet wird. Das Arbeiten bei niedrigen Drücken bedingt einerseits hohen Aufwand für die Erzeugung des Unterdrucks, andererseits einen verminderten Durchsatz der Fertigungsanlage aufgrund der dafür benötigten Zeit vor der eigentlichen Bearbeitung des Substrates.
Es besteht daher ein Bedarf an plasmagestützten Verfahren, die sich bei Atmosphärendruck oder wenigstens bei atmosphärennahen Drücken durchführen lassen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen eines Substrates
durch ein Plasma eingeführt, die bei Atmosphärendruck oder atmosphärennahen Drücken arbeiten kann. Als„atmosphärennaher Druck" wird dabei ein Druck von zwischen einem Zehntel des Atmosphärennormaldrucks und Atmosphärennormaldruck verstanden.
Die Vorrichtung umfasst eine Plasmaquelle, eine wenigstens teilweise leitfähige erste
Aufnahmevorrichtung und eine mit der ersten Aufnahmevorrichtung verbundene Spannungsquelle. Die Plasmaquelle ist ausgebildet, ein Plasma zu erzeugen und in einen Plasmaraum mit einer entlang einer Hauptbewegungskomponente des Plasmas verlaufenden longitudinalen
Plasmaausdehnung auszustoßen. Die erste Aufnahmevorrichtung ist ausgebildet, ein erstes Werkstück aufzunehmen. Die Spannungsquelle ist ausgebildet, eine erste
Beschleunigungsspannung zu erzeugen und an die erste Aufnahmevorrichtung anzulegen. Dabei ist die erste Aufnahmevorrichtung relativ zu der Plasmaquelle so angeordnet und ausgebildet, das erste Werkstück so zu platzieren, dass das Plasma bei Anlegen der ersten
Beschleunigungsspannung das erste Werkstück erreicht.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung einer Plasmaquelle anstelle der Zündung eines Plasmas in einer Unterdruckkammer. Eine Plasmaquelle erzeugt fortlaufend Plasma und stößt es wegen der Zuführung von zu ionisierendem Gas ähnlich einem Gasbrenner aus. Es kann dabei auch eine gepulst oder moduliert betriebene Plasmaquelle verwendet werden, gleichwohl stößt eine solche Plasmaquelle während der gesamten Betriebsdauer Plasma aus und ist somit für den Einsatz im Rahmen der Erfindung geeignet. Das von der Plasmaquelle derartig erzeugte Plasma rekombiniert nach einer gewissen Zeit, so dass sich ein Plasmaraum einer von verschiedenen Parameter wie dem Druck und dem verwendeten Gas oder Gasgemisch abhängigen Ausdehnung ergibt.
„Plasmaraum" bezeichnet hierbei denjenigen Raum, in dem freie Ladungsträger anzufinden sind.
Bei atmosphärennahen Drücken liegt die longitudinale Plasmaausdehnung des Plasmaraumes üblicherweise im Millimeterbereich. Obwohl bei solch vergleichsweise hohen Drücken ein Plasma nicht stabil erzeugt werden kann, stehen aufgrund der fortlaufenden Erzeugung eines Plasmas durch die Plasmaquelle jederzeit Ionen für die Oberflächenbearbeitung zur Verfügung.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass die durch die Plasmaquelle erzeugten freien Ladungsträger als Primärplasma ein zusätzliches Plasma - das Sekundärplasma - erzeugen können. Indem erfindungsgemäß die Spannungsquelle an die als Elektrode fungierende erste Aufnahmevorrichtung eine erste Beschleunigungsspannung anlegt, werden die freien
Ladungsträger des Primärplasmas im elektrischen Feld beschleunigt, wobei sie durch
Stoßprozesse weitere Gasatome ionisieren. Die hierfür benötigte Zündspannung ist aufgrund des aus der Plasmaquelle strömenden Plasmas bedeutend niedriger als für einen gegebenen Druck zu erwarten wäre.
Aufgrund dieses überraschenden Effekts wird es möglich, einen ausreichend großen
Teilchenstrom für Oberflächenbearbeitungsprozesse, die zuvor nur im Vakuum möglich waren, zur Verfügung zu stellen.
Wichtig ist für das Funktionieren der Vorrichtung, dass das Plasma das erste Werkstück erreichen kann, so dass Ionen aus dem Plasma auf das erste Werkstück auftreffen können. Aufgrund der Vergrößerung des Plasmas nach Anlegen der ersten Beschleunigungsspannung kann eine Reihe von Versuchsaufbauten notwendig sein, um eine für ein gegebenes Werkstück optimale
Anordnung zu finden.
Die Vorrichtung kann eine Unterdruckkammer umfassen, in der die Plasmaquelle und die erste Aufnahmevorrichtung angeordnet sind und die ausgebildet ist, einen Druck in der
Unterdruckkammer von zwischen einem Zehntel des Atmosphärennormaldrucks und
Atmosphärennormaldruck zu erzeugen. Obgleich die Erfindung Plasmaprozesse bei höheren Drücken ermöglicht, kann die Qualität und Effizienz der Prozesse gesteigert werden, indem sie bei verringertem Druck durchgeführt werden. Allerdings ist es erfindungsgemäß möglich, höhere Drücke zu verwenden als bei vorbekannten Verfahren notwendig.
Die erste Beschleunigungsspannung kann eine Gleichspannung sein, deren Vorzeichen so gewählt ist, dass das Potential der ersten Aufnahmevorrichtung negativ gegenüber dem Potential des Plasmas ist. Bevorzugt beträgt die erste Beschleunigungsspannung dabei zwischen -100 und - 1000 V. Alternativ kann die erste Beschleunigungsspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz von weniger als 100 MHz sein.
Die Vorrichtung kann eine zweite Aufnahmevorrichtung für ein zweites Werkstück aufweisen, wobei das erste Werkstück ein Target und das zweite Werkstück ein Substrat sind und die
Vorrichtung ausgebildet ist, Material aus dem Target zu lösen und auf das Substrat zu übertragen.
Diese besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann für Sputter-Prozesse verwendet werden, bei denen es darum geht, Material von einem Target durch lonenbeschuss zu lösen und auf ein Substrat, also auf das eigentliche Werkstück, aufzutragen. Das Target verbraucht sich dabei über viele Prozesszyklen und wird daher in Abständen ersetzt. Ausführungsformen ohne zweite Aufnahmevorrichtung können hingegen für Reaktives lonenätzen eingesetzt werden, bei denen das Target das eigentliche Werkstück darstellt und durch den lonenbeschuss in
gewünschter Form geätzt wird.
Bei der zum Sputtern ausgebildeten Vorrichtung kann die zweite Aufnahmevorrichtung wenigstens teilweise leitend ausgebildet und mit der Spannungsquelle verbunden sein. Die Spannungsquelle ist dabei ausgebildet, eine zweite Beschleunigungsspannung zu erzeugen und an die zweite
Aufnahmevorrichtung anzulegen. Aufgrund des erfindungsgemäß vergleichsweise hohen Drucks, ist die Dichte des zwischen Target und Substrat befindlichen Gases entsprechend hoch, so dass die aus dem Target gelösten Partikel von dem Gas auf ihrem Weg zum Substrat verhältnismäßig stark abgebremst werden. Für bestimmte Materialien kann die verminderte Geschwindigkeit der Targetpartikel das Problem mitsichbringen, dass die Partikel nur mangelhaft an dem Substrat anhaften. Daher kann eine zweite Beschleunigungsspannung nützlich sein, welche über die zweite Aufnahmevorrichtung an das Substrat angelegt wird (sofern das Substrat selbst leitfähig ist, andernfalls wirkt die zweite Aufnahmevorrichtung selbst als Elektrode). Diese zweite
Beschleunigungsspannung beschleunigt die Ionen im Plasma in Richtung des Substrates und führt indirekt über weitere Stoßprozesse zwischen den Ionen und den Targetpartikeln zu einer
Beschleunigung der Targetpartikel. Die zweite Beschleunigungsspannung beträgt bevorzugt zwischen -10 und -100 V.
Die erste Aufnahmevorrichtung kann ausgebildet sein, ein zylinderförmiges Target aufzunehmen. Dabei ist die erste Aufnahmevorrichtung vorzugsweise relativ zu der Plasmaquelle so angeordnet, dass das Plasma das zylinderförmige Target durch ein entlang der Zylinderachse des
zylinderförmigen Targets angeordnetes Loch durchströmt. Das zylinderförmige Target kann dabei direkt an der Plasmaquelle angeordnet sein, so dass die erste Aufnahmevorrichtung in die
Plasmaquelle integriert wird.
Ein Vorteil einer solchen Anordnung mit zylinderförmigem Target ist, dass das Plasma das Target durchströmt und seine Strömungsgeschwindigkeit den Transport der Targetpartikel zum Substrat begünstigt. Außerdem kann das Substrat direkt in der Bewegungsrichtung des Plasmas angeordnet werden.
Die Plasmaquelle kann einen zylinderförmigen Resonator aufweisen, wobei das Target bevorzugt drahtförmig und entlang der Zylinderachse des Resonators angeordnet oder anordenbar ist. Das Target kann dabei die Funktion einer Induktivität übernehmen und Teil eines Schwingkreises sein, der das Target und den Resonator als LC-Glied umfasst. Die durch den Schwingkreis erzeugte hochfrequente Schwingung erzeugt dann das Plasma, das durch ein in der Nähe der Targetspitze vorzugsweise in der Resonatorachse angeordnetes Loch im Resonator ausströmt.
Die Vorrichtung besitzt dabei bevorzugt eine mit der ersten Aufnahmevorrichtung verbundene Frequenzbestimmungseinheit, welche ausgebildet ist, die Frequenz eines an dem zylinderförmigen Resonator anliegenden Signals zu bestimmen, die bestimmte Frequenz mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Sollfrequenz zu vergleichen und ein Ergebnissignal auszugeben, welches ein Ergebnis des Vergleichs anzeigt. Die erste Aufnahmevorrichtung ist dabei dazu ausgebildet, das drahtförmige Target entlang der Zylinderachse des Resonators zu verschieben, wobei eine Verschiebungsrichtung der Verschiebung abhängig von dem Ergebnissignal ist.
Die Resonanzfrequenz der aus Resonator und drahtförmigem Target gebildeten Anordnung ist von der Länge des drahtförmigen Targets innerhalb des Resonators abhängig und kann daher durch Verschieben des Targets innerhalb des Resonators beeinflusst werden. Im Umkehrschluss bedeutet dies jedoch auch, dass die Frequenz der Schwingung Aufschluss über den Abstand zwischen der Spitze des drahtförmigen Targets und dem Loch im Resonator bietet. Diese
Erkenntnis macht sich diese Ausführungsform in einem Regelkreis zunutze, indem sie das drahtförmige Target, das an seiner Spitze durch die Wirkung des Plasmas fortlaufend abgetragen wird, abhängig von der bestimmten Frequenz verschiebt, so dass die Spitze des Targets jederzeit in einem gewünschten Abstand zu dem Loch im Resonator gehalten werden kann.
Die die zweite Aufnahmevorrichtung kann ausgebildet sein, sich auf ein erstes Steuersignal hin entlang einer ersten Richtung und auf ein zweite Steuersignal hin entlang einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung kreuzt, zu bewegen. Als gleichwertig wird hierbei eine zweite
Aufnahmevorrichtung angesehen, die ausgebildet ist, ein Substrat entsprechend zu bewegen. Die Vorrichtung weist dabei eine Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, Geometriedaten zu empfangen und die zweite Aufnahmevorrichtung durch Ausgeben von aus den Geometriedaten abgeleiteten ersten und zweiten Steuersignalen relativ zu der ersten Aufnahmevorrichtung so zu bewegen, dass das aus dem Target gelöste Material auf einen durch die Geometriedaten vorgegebenen Bereich der Oberfläche des Substrates übertragen wird.
Diese Ausführungsform erlaubt ein Übertragen von Targetmaterial auf jenen Teil des Substrates, das von der zweiten Aufnahmevorrichtung durch den Wirkungsbereich des Plasmas geführt wird. Dadurch wird ein dem Drucken ähnliches Verfahren möglich, das sich beispielsweise vorteilhaft bei der Beschichtung von Leiterplatten einsetzen lässt, indem Leiterbahnen direkt auf die Leiterplatten gedruckt werden. Besonders bevorzugt können dabei auch Kunststoffgehäuse als Substrat eingesetzt werden, so dass die Schaltung eines elektronischen Gerätes direkt auf eine Innenseite des Gehäuses aufgetragen wird, was großes Einsparpotential bei der Herstellung elektronischer Geräte bietet.
Die erste Aufnahmevorrichtung und die zweite Aufnahmevorrichtung sind bevorzugt relativ zueinander so angeordnet, dass ein Abstand zwischen einem in der ersten Aufnahmevorrichtung befindlichen Target und einem in der zweiten Aufnahmevorrichtung befindlichen Substrat weniger als 3 μηι beträgt. Dieser geringe Abstand ermöglicht die zuverlässige und zielgenaue Übertragung von Targetmaterial auf das Substrat.
Die zweite Aufnahmevorrichtung kann ausgebildet sein, sich auf ein drittes Steuersignal hin entlang einer dritten Richtung zu bewegen, wobei die dritte Richtung mit der ersten und der zweiten Richtung einen Raum aufspannt. Dabei weist die Vorrichtung eine
Abstandsbestimmungseinheit auf, welche ausgebildet ist, einen Abstand zwischen dem Target und
dem Substrat zu bestimmen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, den Abstand zwischen dem in der ersten Aufnahmevorrichtung befindlichen Target und dem in der zweiten Aufnahmevorrichtung befindlichen Substrat durch Ausgeben entsprechender dritter Steuersignale einzustellen. Diese Ausführungsform erlaubt es, einen konstanten Abstand zu der Oberfläche des Substrates einzuhalten.
Grundsätzlich stellt bei Sputterprozessen ein Target einen austauschbaren Verschleißgegenstand dar, während das Substrat das zu bearbeitende Werkstück ist. Im Rahmen der Erfindung sind daher das Target und das Substrat grundsätzlich nicht als den Schutzbereich mitbestimmend anzusehen.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichartige Gegenstände. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem zylindrischen Target;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, ebenfalls mit einem zylindrischen Target;
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem drahtförmigen Target; und
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem in einem Resonator angeordneten drahtförmigen Target.
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Plasmaquelle 1 erzeugt ein Plasma 2 und stößt dieses aus. Im Wirkungsbereich des Plasmas ist ein Werkstück 5 in einer ersten Aufnahmevorrichtung 3-1 angeordnet. Im einfachsten Fall kann diese erste
Aufnahmevorrichtung 3-1 der Boden einer Kammer sein, in der die Plasmaquelle 1 angeordnet ist. Die erste Aufnahmevorrichtung 3-1 ist wenigstens teilweise elektrisch leitend ausgebildet und mit einer Spannungsquelle 4 verbunden, welche ein gegenüber der Plasmaquelle 1 negatives
Potential oder auch eine Wechselspannung mit einer Frequenz in einem Bereich von einigen
Kilohertz bis ungefähr 100 Megahertz erzeugt. Ist das Werkstück 5 selbst elektrisch leitend, genügt es, wenn die von der Spannungsquelle 4 erzeugte Spannung über einen Kontaktpunkt zwischen dem Werkstück 5 und der ersten Aufnahmevorrichtung 3-1 an das Werkstück 5 gelangt, da das Werkstück 5 in diesem Fall selbst als Elektrode für die Beschleunigung der aus dem Plasma 2 zu extrahierenden Ionen wirken kann. Ist das Werkstück 5 jedoch aus einem elektrisch isolierenden Material, ist die erste Aufnahmevorrichtung 3-1 vorzugsweise flächig ausgebildet, so dass entlang der gesamten Ausdehnung des Werkstücks 5 Ionen dem von der als Elektrode fungierenden ersten Aufnahmevorrichtung 3-1 elektrischen Feld folgend auf das Werkstück 5 gelangen können.
Das Ausführungsbeispiel von Figur 1 kann für das Reinigen von Oberflächen oder für Ätzprozesse verwendet werden. Dabei kann bei bestimmten Ausführungsformen ein Gasgemisch verwendet werden, das neben dem Plasmagas (allgemein bevorzugt ist Argon) chemische Ätzmittel enthält.
Das Werkstück 5 wird in der Literatur teilweise als Target bezeichnet, weil die Ionen aus dem Plasma 2 auf das Werkstück 5 treffen und dort Partikel herausschlagen. Andererseits wird es auch als Substrat bezeichnet, weil es sich bei dem Werkstück 5 um das eigentliche zu bearbeitende Objekt handelt. Im Zusammenhang mit Sputter-Prozessen, bei denen eine Oberfläche beschichtet werden soll, bezeichnet das Target eine Materialquelle für dasjenige Material, das im Rahmen der Beschichtung auf die Oberfläche eines Substrates übertragen werden soll.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für Sputter-Prozesse geeginet ist und ein zylindrisches Target 5 aufweist. Die Figur zeigt eine Querschnittszeichnung, so dass das als Hohlzylinder ausgeführte Target 5 in der Darstellung in zwei rechteckige Bereiche zerfällt, welche beiderseits des Plasmas 2 angeordnet sind. Das Plasma 2 kann das Target 5
durchströmen und durch den aufgrund der von der Spannungsquelle 4 erzeugten
Beschleunigungsspannung ausgelösten lonenbeschuss Partikel aus dem Target 5 lösen. Durch den Gasstrom sowie optional durch eine zusätzliche an dem Substrat 6 beziehungsweise der Aufnahmevorrichtung 3-2 für das Substrat 6 anliegende Beschleunigungsspannung gelangen die aus Partikel aus dem Targetmaterial auf die Oberfläche des Substrates 6. Wrd eine zweite
Beschleunigungsspannung verwendet, kann bei nichtleitendem Substrat 6 wieder die
Aufnahmevorrichtung 3-2 als Elektrode fungieren, bei einem leitenden Substrat 6 kann das Substrat 6 selbst die Funktion der Elektrode übernehmen. Die zweite Aufnahmevorrichtung 3-2 kann im einfachsten Fall wiederum der Boden einer Kammer sein, in der die Plasmaquelle 1 angeordnet ist.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie das Ausführungsbeispiel von Figur 2 ebenfalls mit einem zylindrischen Target 5. Das Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem von Figur 2, so dass das dort Gesagte auch für das Ausführungsbeispiel von Figur 3 gilt. Allerdings besteht hier das Target 5 aus einem nichtleitenden Material. Aus diesem Grund ist die
erste Aufnahmevorrichtung 3-1 , die beispielsweise als ein das Target 5 umschließender Hohlzylinder ausgeführt sein kann, wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, das als Elektrode für die erste Beschleunigungsspannung dienen kann und mit der Spannungsquelle 4 verbunden ist. Die Spannungsquelle 4 ist hierbei jedoch ausgebildet, eine hochfrequente Wechselspannung, vorzugsweise im Bereich von einigen Kilohertz bis ungefähr 100 Megahertz, zu erzeugen. Das nichtleitende Target 5 fungiert in diesem Fall als Dielektrikum, so dass das durch die Spannungsquelle 4 erzeugte elektrische Feld auf das das Target 2
durchströmende Plasma 2 einwirken kann. Die Spannungsquelle 4 kann dabei über einen optionalen Koppelkondensator 7 an die erste Aufnahmevorrichtung 3-1 angekoppelt sein.
Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem drahtförmigen Target 5. Das Target 5 wird hierbei seitlich in den Plasmastrom eingeführt. Das Abtragen des Targetmaterials geschieht dabei hauptsächlich an der im Plasma 2 befindlichen Spitze des drahtförmigen Targets 5. Daher ist die nicht dargestellte erste Aufnahmevorrichtung 3-1 vorzugsweise ausgebildet, das drahtförmige Target 5 durch Verschieben entlang der Längsachse des drahtförmigen Targets 5 nachzuführen, so dass sich die Spitze des Targets 5 jederzeit im Wrkungsbereich des Plasmas 2 befindet.
Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem in einem Resonator 8 angeordneten drahtförmigen Target 5. Der Resonator 8 stellt hierbei einen zentralen Bestandteil der Plasmaquelle dar. Der Resonator bildet hierbei zusammen mit dem drahtförmigen Target 5 einen LC-Schwingkreis, welcher extern durch ein aktives Element angeregt werden kann. Die hierbei erzeugte hochfrequente Schwingung zündet eine Gasentladung in einem durch den Resonator geleiteten Gas, so dass an einem in einer Stirnseite des Resonators befindlichen Loch das Plasma 2 austritt. Die Gasentladung wird an einer Strecke zwischen der Spitze des drahtförmigen Targets 5 und dem Rand des Lochs gezündet, weil hier das stärkste elektrische Feld besteht.
Das drahtförmige Target 5 wirkt in der Anordnung als Dipol und bestimmt die Resonanzfrequenz der Anordnung mit. Durch Verschieben des Targets 5 entlang der Resonantorachse kann daher die Resonanzfrequenz beeinflusst werden. Dies bedeutet aber auch, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises der Plasmaquelle Aufschluss über die Position der Spitze des drahtförmigen Targets 5 liefert. Dadurch wird es möglich, einen Regelkreis aufzubauen, in dem die hier nicht dargestellte erste Aufnahmevorrichtung das sich an seiner Spitze verbrauchende Target 5 fortlaufend nachschiebt, so dass einerseits die Erzeugung des Plasmas 2 nicht unterbrochen wird, andererseits immer genügend Targetmaterial für den Sputter-Prozess zur Verfügung steht. Um den Transport des drahtförmigen Targets 5 zu gewährleisten, kann an der Rückwand des Resonators 8 eine Durchführung 9 vorgesehen sein, welche den Resonator möglichst gasdicht abdichtet, aber
das Verschieben des drahtförmigen Targets 5 nicht unterbindet.
Soll ein Target aus einem nichtleitenden Material verwendet werden, kann der Dipol auch durch einen Hohlleiter verwirklicht werden, in dessen Innerem das drahtförmige Target zur Spitze des Hohlleiters geführt wird.
Die Ausführungsbeispiele der Figuren 2 bis 5 lassen sich ähnlich einem Druckerkopf für ein gezieltes Aufbringen von Beschichtungen auf ausgewählte Bereiche des Substrates verwenden, was vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. So ist es beispielsweise möglich, bei
Verwendung eines elektrisch leitfähigen Targetmaterials Leiterbahnen für elektrische Schaltungen direkt auf eine Platine zu drucken. Das Ausführungsbeispiel von Figur 1 lässt sich entsprechend für das punktgenaue Ätzen oder Reinigen von Oberflächen verwenden. Die Erfindung ermöglicht den Einsatz von Plasmaprozessen bei höheren Drücken als normalerweise üblich bis hin zu
Atmosphärendruck, wodurch die Produktionsgeschwindigkeit gesteigert und die Kosten für die Einrichtung reduziert werden.
Claims
1. Eine Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen eines Substrates durch ein Plasma, die Vorrichtung umfassend eine Plasmaquelle, welche ausgebildet ist, ein Plasma zu erzeugen und in einen Plasmaraum mit einer entlang einer Hauptbewegungskomponente des Plasmas verlaufenden longitudinalen Plasmaausdehnung auszustoßen, eine wenigstens teilweise leitfähige erste Aufnahmevorrichtung, welche ausgebildet ist, ein erstes Werkstück aufzunehmen, und eine mit der ersten Aufnahmevorrichtung verbundenen
Spannungsquelle, welche ausgebildet ist, eine erste Beschleunigungsspannung zu erzeugen und an die erste Aufnahmevorrichtung anzulegen, wobei die erste
Aufnahmevorrichtung relativ zu der Plasmaquelle so angeordnet und ausgebildet ist, das erste Werkstück so zu platzieren, dass das Plasma bei Anlegen der ersten
Beschleunigungsspannung das erste Werkstück erreicht.
2. Die Vorrichtung von Anspruch 1 , mit einer Unterdruckkammer, in der die Plasmaquelle und die erste Aufnahmevorrichtung angeordnet sind und die ausgebildet ist, einen Druck in der Unterdruckkammer von zwischen einem Zehntel des Atmosphärennormaldrucks und Atmosphärennormaldruck zu erzeugen.
3. Die Vorrichtung von einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die erste
Beschleunigungsspannung eine Gleichspannung ist, deren Vorzeichen so gewählt ist, dass das Potential der ersten Aufnahmevorrichtung negativ gegenüber dem Potential des Plasmas ist.
4. Die Vorrichtung von Anspruch 3, bei der die erste Beschleunigungsspannung zwischen - 100 und -1000 V beträgt.
5. Die Vorrichtung von einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die erste
Beschleunigungsspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz von weniger als 100 MHz ist.
6. Die Vorrichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zweiten
Aufnahmevorrichtung für ein zweites Werkstück, wobei das erste Werkstück ein Target und das zweite Werkstück ein Substrat sind und die Vorrichtung ausgebildet ist, Material aus dem Target zu lösen und auf das Substrat zu übertragen.
7. Die Vorrichtung von Anspruch 6, bei der die zweite Aufnahmevorrichtung wenigstens
teilweise leitend ausgebildet und mit der Spannungsquelle verbunden ist, wobei die Spannungsquelle ausgebildet ist, eine zweite Beschleunigungsspannung, vorzugsweise eine zweite Beschleunigungsspannung zwischen -10 und -100 V, zu erzeugen und an die zweite Aufnahmevorrichtung anzulegen.
8. Die Vorrichtung von einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der die erste Aufnahmevorrichtung ausgebildet ist, ein zylinderförmiges Target aufzunehmen, und relativ zu der Plasmaquelle so angeordnet ist, dass das Plasma das zylinderförmige Target durch ein entlang der Zylinderachse des zylinderförmigen Targets angeordnetes Loch durchströmt.
9. Die Vorrichtung von einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Plasmaquelle einen
zylinderförmigen Resonator aufweist und das Target drahtförmig und entlang der
Zylinderachse des Resonators angeordnet oder anordenbar ist.
10. Die Vorrichtung von Anspruch 9, mit einer mit der ersten Aufnahmevorrichtung
verbundenen Frequenzbestimmungseinheit, welche ausgebildet ist, die Frequenz eines an dem zylinderförmigen Resonator anliegenden Signals zu bestimmen, die bestimmte Frequenz mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Sollfrequenz zu vergleichen und ein Ergebnissignal auszugeben, welches ein Ergebnis des Vergleichs anzeigt, wobei die erste Aufnahmevorrichtung ausgebildet ist, das drahtförmige Target entlang der Zylinderachse des Resonators zu verschieben, wobei eine Verschiebungsrichtung der Verschiebung abhängig von dem Ergebnissignal ist.
1 1. Die Vorrichtung von einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei der die zweite Aufnahmevorrichtung ausgebildet ist, sich auf ein erstes Steuersignal hin entlang einer ersten Richtung und auf ein zweite Steuersignal hin entlang einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung kreuzt, zu bewegen, wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweist, welche ausgebildet ist, Geometriedaten zu empfangen und die zweite Aufnahmevorrichtung durch Ausgeben von aus den Geometriedaten abgeleiteten ersten und zweiten Steuersignalen relativ zu der ersten Aufnahmevorrichtung so zu bewegen, dass das aus dem Target gelöste Material auf einen durch die Geometriedaten vorgegebenen Bereich der Oberfläche des Substrates übertragen wird.
12. Die Vorrichtung von einem der Ansprüche 6 bis 11 , bei dem die erste Aufnahmevorrichtung und die zweite Aufnahmevorrichtung relativ zueinander so angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen einem in der ersten Aufnahmevorrichtung befindlichen Target und einem in der zweiten Aufnahmevorrichtung befindlichen Substrat weniger als 3 μηι beträgt.
13. Die Vorrichtung der Ansprüche 11 und 12, bei der die zweite Aufnahmevorrichtung
ausgebildet ist, sich auf ein drittes Steuersignal hin entlang einer dritten Richtung zu bewegen, wobei die dritte Richtung mit der ersten und der zweiten Richtung einen Raum aufspannt, und mit einer Abstandsbestimmungseinheit, welche ausgebildet ist, einen Abstand zwischen dem Target und dem Substrat zu bestimmen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, den Abstand zwischen dem in der ersten Aufnahmevorrichtung befindlichen Target und dem in der zweiten Aufnahmevorrichtung befindlichen Substrat durch Ausgeben entsprechender dritter Steuersignale einzustellen.
14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Ätzen von Strukturen in einem Substrat.
15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13 für das Beschichten eines Substrates mit Nichtleitern oder für das Beschichten eines Substrates mit Leitern, insbesondere das Erstellen von Leiterbahnen auf einer Platine.
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