JP2001518230A

JP2001518230A - 粒子操作

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Publication number: JP2001518230A
Application number: JP54117798A
Authority: JP
Inventors: モルフィル、グレゴール; トーマス、フバートス; スタッフラー、ティモ; ティックマン、カール; コノプカ、ウベ
Original assignee: マツクス−プランク−ゲゼルシャフトツールフエルデルングデルヴイツセンシャフテンエーフアウ; カイザー−テレーデ・ゲー・エム・ベー・ハー
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2001-10-09
Also published as: EP0972431B1; EP0972431A2; WO1998044766A2; DE19713637C2; WO1998044766A3; DE19713637A1; US6517912B1; DE59813144D1

Abstract

(57)【要約】本発明は、キャリアガスのプラズマ中でプラズマ結晶状態にある粒子を操作する方法に関する。その方法によれば、粒子は少なくとも部分的にプラズマ処理を受けるか、または基体の表面に与えられる。プラズマ結晶状態における粒子を操作する装置は、プラズマ電極と少なくとも１つの基体が位置される反応容器を具備している。本発明は反応容器の選択された位置に低周波数または静電界を生成するための適合電極を与える。

Description

【発明の詳細な説明】粒子操作本発明は微粒子を操作するための、特にプラズマ結晶状態にある粒子を操作するための方法および装置に関する。プラズマ中の微小の固体粒子はいわゆるプラズマ結晶として可視的に規則的な配列で方向付けされることが知られている。プラズマ結晶の特性は例えば文献（ H．Thomas、“Phys．Rev．Lett”、73巻、1994年、652 f f頁）または（H．Thom asとG.E．Morfill、“Nature”、379巻、1996年、806 f f頁）に記載されている。ユカワシステムの分子力学シミュレーションに基づいたプラズマ結晶の量的な説明と、“液体”状態に関する限界は、文献（S．Hamaguchi、“Physical Revie w E”、56巻、1997年、4671 f f頁）に記載されている。この文献は本発明の出願の優先日後に出版された。プラズマ結晶と非プラズマ結晶（例えば液体）状態との間の境界は状態図に基づいて行われ、その横座標は粒子間の電荷に依存する距離といわゆるデバイ長との商としての無次元パラメータκにより形成され、その座標はパラメータΓにより形成され、その無次元は粒子のクーロン相互作用を示している。横座標と座標パラメータがプラズマの動作パラメータに依存するので、粒子のプラズマ状態の状態変化は動作パラメータの変化により行われてもよい。プラズマ結晶形成の重要な特徴を図１４によるプラズマ結晶形成の一般的な装置を参照して以下説明する。例えばグロー放電またはガス放電により生成されるプラズマ状態では、ガスは正または負に荷電されたイオン、電子、遊離基、異なった荷電をされた粒子を含んでいるが中性子原子のような中性の粒子が含まれてもよい。例えばダスト粒子等、プラズマ中に微粒子（大きさの程度：μｍ）が存在するならば、これらは電気的に帯電される。電荷は粒子のサイズとプラズマ条件（ガスのタイプ、プラズマの密度、温度、圧力等）に基づいて数十万までの電子電荷であってもよい。適切な粒子およびプラズマ状態において、クーロン力は荷電粒子間で生成され、その影響下で、粒子は二次元または三次元配置としてプラズマ結晶状態を取る。クーロン力に加えて、プラズマ内で中性子原子との衝突によって粒子のエネルギ減少は効果を有する。プラズマ結晶を形成するための装置が図１４で例示して示されている（先のPh ys．Rev．Lett.の文献も参照）。キャリアガスを有する反応装置（容器壁は図示せず）では、２つの平面放電電極が相互に重なって配置されている。下部の円形またはディスク状ＨＦ電極11には交流電圧が与えられ、上部のリング状の対向電極12は例えば接地される。電極間の距離は約２ｃｍである。制御回路13がＨＦ発生器14をＨＦ電極11に接続するために設けられ、対向電極12の接地および分離回路15を与える。高周波エネルギは例えば周波数１３．５６ＭＨｚ、電力約５Ｗで結合されることができる。キャリアガスは約０．０１乃至２ミリバールの圧力下の不活性ガスまたは反応ガスにより形成される。ダストディスペンサ（図示せず）により、ダスト粒子は反応装置中へ導入される。ダスト粒子は平衡した状態でプラズマ結晶として配置され、この状態では粒子に作用する重力Ｇは電界Ｅにより平衡され、これはそれらの電荷に基づいてＨＦ電極11近くの粒子に影響を与える。これが単一の分散されたダストグレイン分布であるならば、プラズマ結晶配置は平面の単一の層として、または３次元プラズマ結晶を形成するとき多層状態として実行される。プラズマ結晶は約１μｍまでのサイズの粒子をライトアップ下で裸眼で検出可能である。プラズマ結晶の可視度は側面に配置されたヘリウムネオンレーザ16により改良され、そのビームはシリンダレンズの組合わせ16ａを使用して直径約１５０μｍへ横方向の結晶寸法の大きさまで扇状に広がる。プラズマ結晶の観察はＣＣＤカメラ17を使用して行われ、ＣＣＤカメラ17は拡大光学系18に適合され、レーザ16とも接続されるイメージ処理装置19により制御される。プラズマ中の微粒子の性質は非常に理論的で実際的な問題である。理論的な問題は特にプラズマ結晶とそれらの状態変化に関する。実際的な問題は（特に半導体技術における）被覆または処理手順に使用されるプラズマ反応装置が図１４による電極構造を有する事実から得られる。プラズマ結晶を検査するための従来技術の装置では、プラズマ結晶に影響する手段が、使用される粒子のタイプと実現されるプラズマ状態に限定された。プラズマ結晶を判断し位置選択処理する手段は現在利用可能ではないので、現在までプラズマ結晶のための実用的な使用は知られていない。本発明の目的は、プラズマ中の粒子を操作するための、特に粒子自体に影響を与えるための、または基体表面を変化するための方法と、この方法を実行する装置とを提供することである。この目的は、それぞれ特許請求の範囲の請求項１、２または１２にしたがった特徴を有する方法と、請求項の１３または１７にしたがった特徴を有する装置によって解決される。本発明の有効な実施形態は従属請求項に記載されている。本発明は以下の基本的な発見に基づいている。プラズマ結晶の特性、特に幾何学的形状はプラズマのそれぞれの粒子の特性に基づいているだけではない。さらに、前述した重力と電気的な力との平衡における位置選択効果により、ブラズマ結晶の形態、特に外部エッジまたは断面形態を変更することも可能である。この目的では、例えば静的、疑似静的の位置依存変化により、またはプラズマ反応装置の電極間の電界を変化する低周波数による等の粒子に影響を与える外部の力は、位置選択性粒子放電または位置選択性粒子放射（調整する力の効果）により変化される。この方法で、プラズマ中の粒子はプラズマ結晶状態で任意のエッジを有する任意の湾曲した平面上に整列されてもよい。それ故、プラズマ中の粒子は予め定められた方法で移動されてもよく、これによってこの動作は可逆性であり、プラズマ結晶状態は異なる形態間で切換えられてもよい。本発明の別の重要な特徴は、プラズマ結晶の位置選択性変形により、プラズマ結晶の異なる部分が異なるプラズマ条件を受ける事実からなる。これは特に２つの基本的な平面電極間のプラズマにおいてプラズマ結晶の一部分の位置選択性プラズマ処理（例えば被覆または研磨）を可能にする。このような位置選択性粒子処理に後続して基体上に被覆が施されてもよい。さらに、本発明の重要な特徴は、プラズマ反応装置の基体の存在、特にグロー放電またはガス放電を生成する反応装置電極間に基体が存在することによってプラズマ結晶状態の形成が影響を受けない状態にあることにある。面状（areal）、平面または湾曲基体のすぐ近辺で前述の切換えプロセスを行い、続いて、粒子の少なくとも予め定められた部分が基体表面に供給される方法で、プラズマ結晶状態の粒子と基体表面との間の距離を減少することが特に可能である。距離の減少は、粒子の位置を保持する電界の力に影響を与えるかまたは基体表面の移動により行われることができる。それ故、プラズマ結晶状態にある粒子は任意の設計のパターンで基体表面に付着されることができる。それ故、本発明は変形した表面を生成するための新しい、位置選択性でマスクを使用しない被覆方法を与える。与えられた粒子によって、変形された表面は電子的、光学的および／または機械的特性を変化する。しかし、さらに続いて被覆ステップを行う前に基体表面をマスキングまたは調節するため位置選択性の与えられた粒子自体を使用することも可能である。プラズマ結晶状態の粒子の操作を行うための本発明による装置は、プラズマを形成する装置を含んだ反応容器と、少なくとも１つの基体を含んでいる。プラズマを形成する装置は平面、特に平行な電極により形成されることが好ましく、その距離で基体が移動することができる。反応容器内の電極はプラズマ結晶状態の粒子の位置選択性の効果のための電界成形構造であってもよい。反応容器はさらに位置選択性粒子放電用手段（例えばマスキング装置を有するＵＶ露光手段）と、粒子に放射圧力を与える手段と、観察手段と制御手段を含んでもよい。本発明の特別な特徴は、反応容器内の粒子の位置選択性効果を行うための電極設計である。本発明にしたがって、電極装置（または：適合電極）が設けられ、これは複数の電極セグメントを具備し、これらには同時に高周波電圧が与えられ、それぞれのケースで特別な直流電圧または低周波電圧が別々に与えられる。高周波電圧は反応容器内でプラズマ状態を生成し、これを維持する目的に適しており、一方、直流電圧および低周波電圧は反応容器内の電界分布の静的なまたは低速度の変化を生成するのに適しており、この影響下で粒子は反応容器内で配置され、または移動する。さらに適合電極の重要な特徴は最小型化された電極セグメント（ポイント電極）から形成されるマトリックスの形成と、基本的に平面、多層構成要素でありその電極側が反応容器に向いており、その後部が制御電子装置を支持するマトリックスの設計と、例えば電極装置の後部が向いている空間に真空を生成することによる構成要素の圧力軽減と、制御電子系用の調節装置の設置である。本発明の詳細および利点を添付図面を参照して以下説明する。図１は、プラズマ結晶状態の粒子を操作するための本発明による装置の概略側面図である。図２は、図１による装置の一部分の概略平面図である。図３は、本発明による被覆技術を示すためそれぞれ自由または吸収状態のプラズマ結晶断面の平面図である。図４は、プラズマ結晶を操作するための本発明による電極設計と、位置選択性基体被覆の例の概略図である。図５は、本発明による適合電極を有する反応容器の分解図である。図６は、図５による適合電極への概略平面図である。図７は、関連する切換え電極を含んだ図５および図６で示されている適合電極のサブユニットの概略斜視図である。図８は、本発明による適合電極の制御電子装置を示したブロック図である。図９は、位置選択性基体被覆のさらに別の例を示した概略図である。図１０は、位置選択性基体被覆のさらに別の例を示している。図１１は、プラズマ結晶を操作するための変更された設計と、位置選択性基体被覆のさらに別の例に対する概略平面図である。図１２は、いわゆるブッキー管を含んでいる基体被覆の概略図である。図１３は、本発明によるプラズマ結晶を操作する装置のさらに別の設計の概略平面図である。図１４は、プラズマ結晶を形成するための通常の反応装置（現在の技術）の概略斜視図である。［好ましい実施例の詳細な説明］本発明をプラズマ装置の例を使用して以下説明し、プラズマ装置は反応容器として反応装置を含んでおり、そのプラズマ発生およびプラズマ結晶監視に関する設計は図１４を参照して前述したように通常の設計と本質的に同じである。しかし、その他の設計の反応装置も本発明にしたがったプラズマ結晶状態の粒子を操作するのに適する限り使用されてもよいことが当業者に理解されるであろう。図１によるプラズマ結晶を操作する装置の概略側面図は、ＨＦ電極11、接地された対向電極12、制御装置13、ＨＦ発生器14、切換え装置15、シリンダレンズ装置16ａを含む監視光源16、拡大光学系18を有するＣＣＤカメラ17の形態の観察手段、関連する制御装置19を示している。非常に小さい（＜１００ｎｍ）粒子の場合、監視するための別の手段が必要である（例えばブラッグ散乱を使用）。貯蔵器22、調節装置23、注入手段24を有するダストディスペンサ21は、ＨＦ電極11と対向電極12間の空間に粒子を移動するために設置される。調節装置23は例えば粒子の事前帯電装置を含んでもよい。本発明による装置はさらに基体30を含んでおり、この基体30は調整装置31を使用して空間の任意の方向で移動されてもよい。図１はキャリアガスを閉じ込める空間を形成し、電極12、基体30、粒子供給装置の部分を密封して包囲している反応容器の壁を示していない。さらに壁は放射光を結合するためのウィンドウを有する。図２は図１の本発明による装置の部分、即ちＨＦ電極11と、調整装置31を有する基体30への概略平面図である。付加的に図１では示されていない放電装置24が示されており、プラズマ結晶状態の粒子の位置選択性放電を行う。示されている例では、放電装置24はＵＶ放射源25とディスプレイおよびマスキングシステム26 とを含んでおり、それによってプラズマ結晶は部分的に照射され、ＵＶ放射の影響により放電されることができる。以下、図１および２を参照してプラズマ内の粒子を操作する本発明による方法の第１の実施形態について説明する。反応容器（図示せず）の、特に放電電極の効果を有するＨＦ電極と対向電極との間では、プラズマはキャリアガス中で点火される。本発明の特別な利点は、キャリアガスのタイプに特別な要件がいらないことである。プラズマの状態（ガスのタイプおよび密度、ＨＦ電力、周波数、圧力等）がプラズマ設計と所望の結晶特性の条件にしたがって当業者により選択されてもよい。これらは半導体技術のプラズマ付着に使用されるような状況下では、例えば低エネルギのアルゴン放電またはシラン放電であってもよい。例えばシランのような反応ガスの使用はプラズマ結晶におけるさらなる処理ステップに有効である。プラズマ内のイオンのエネルギは基本的にガス温度に対応する。これは放電状態と、恐らくは外部冷却装置により決定される。例えば窒素冷却（図示せず）が本発明による装置で行われてもよい。ダストディスペンサ21を使用して、操作される粒子は電極空間中に誘導される。粒子の寸法は２０ｎｍ乃至１００μｍの範囲である。粒子サイズの下限は反応容器内の圧力と電荷状態により設定される。粒子はプラズマのない状況では粒子が重力の影響下で垂直運動を行い、懸濁状態に留まらないように適当に重くなければならない。粒子サイズの上限は隣接粒子間のいわゆるデバイ長により設定される。デバイ長はプラズマ温度の平方根に比例して増加するが、プラズマ密度の平方根に反比例する。本発明のもう一つの特別な利点は、操作される粒子におけるサイズの要件に加えて、粒子の形状または材料に関する他の制限がないことからなる。例えば、円形、ピン型、管状またはプレート状の粒子のような任意の形態の粒子が使用されてもよい。粒子は固体であるが、プラズマ状態で十分な形状の安定性をもたなければならない。問題の粒子サイズ範囲内で特別な電気または光学的特性を有する材料が使用されることが好ましい。また、例えば有機物のような異なった物質からなる材料を使用することも可能である。プラズマ中に導入された粒子はプラズマ結晶10を形成する（図１および２参照）。プラズマ結晶は平面で、領域的で、規則的な粒子配置を特徴とする。粒子配置は図３を参照して以下説明するような単一層、多重層または３次元構造であってもよい。ＨＦ電極は負の直流電圧を有する。電極直径約８乃至１０ｃｍ、電極間距離約２ｃｍ、ＨＦ電極11のバイアス電位約−１５ボルトの場合、例えば特性サイズ約７μｍのポリマー粒子はＨＦ電極11から約０．５ｃｍの距離で領域的な雲状に配置される。ここで例示した寸法は、変更した電極パラメータ（電極直径、電極距離、電圧）にしたがって変化する。電極直径は例えば６０ｃｍまでの数センチメートルの範囲内であってもよく、電極間距離は１ｃｍから１０ｃｍまでの範囲であってもよい。利用可能なＣＶＤ反応装置に適合する電極パラメータが選択されることが好ましい。基体30はＨＦ電極11とプラズマ結晶10との間に位置される。基体材料と基体形状に関する制限がないことも利点である。特に、導電性基体および非導電性基体はプラズマ結晶形成の状態を変更せずに使用されることができる。本発明による粒子の操作方法の場合、処理位置への粒子の第１の調整が行われる。この処理位置は粒子を反応装置へ導入した後にプラズマ結晶を形成するための平衡状態に適合する。しかし、特に電極または基体に関して相対的な位置を変化するためにプラズマ結晶10を移動することも可能である。これは例えばプラズマ状態の変化により実行される。例えばキャリアガス密度と、さらに粒子の電荷を変化することによって、重力と電気の力との間の平衡状態の変化を実現することが可能である。同様のことはＨＦ電極の負のバイアス電圧の変化または粒子の外部放電の場合にも当てはまる。処理位置では、次のステップにおいて、粒子の少なくとも一部がプラズマ処理を受けるかまたは基体へ与えられる。プラズマ処理は例えば粒子表面被覆または研磨を含んでもよい。研磨の場合、例えばプラズマ結晶をＨＦ電極上の低い高さまで段階的に下げることによって、プラズマ結晶の下部層が選択的なプラズマエッチングプロセスを受けることになる。粒子被覆では、現在の反応装置動作中のプラズマの交換が行われることが可能である。プラズマ結晶と基体表面との間の距離の適切な変化が基体30への付着に使用されてもよい。第１の実施形態では、プラズマ結晶はプラズマ条件の変更によって基体まで下げられる。第２の実施形態では、基体は調整装置31を使用してプラズマ結晶まで上げられる。第３の好ましい実施形態では、電極間の放電はオフに切換えられ、それによってプラズマは消滅され、粒子は基体上へ落下する。粒子と基体との接触中、分子付着力は基体表面上の粒子を吸着する。さらに処理して、粒子吸着はその上の被覆により増加されてもよい。図３は前述の第３の実施形態にしたがって基体表面へ粒子を特に簡単に付着した結果を例示により示している。イメージ記録装置17を使用して観察したとき、プラズマ内の自由懸濁状態（エッジが塗潰されていない形状）とプラズマ消滅後の基体上の吸収状態（エッジが塗潰された形状）におけるプラズマ結晶の単一層が示されている。粒子の寸法は約５乃至１０μｍであり、約２００乃至３００μ ｍの距離を有する。本発明者は、最初に、懸濁状態または吸収状態における粒子の位置の偏差が最小であることを示しているので、この基体に対する特に単純な粒子の供給によって規則的な整列がほぼ完全に保持されることを発見している。この特性のために、高い正確度で微粒子を基体表面に配置することが可能である。図４は、本発明による粒子操作のための装置の１セクションの概略側面図を示している。ＨＦ電極11と、調整装置31を一方の端部に有する基体30と、接地された対向電極12間で、プラズマ結晶状態の粒子が位置される。プラズマ結晶40は多数の湾曲部を有する断面形態を有し、これは基本的に電極間の空間の静電界の形状に対応する。電極間の電界は電極構造41により位置選択的に変形される。示されている例の場合、電極構造は付加的な電極41（ニードル電極）により作られ、これは正電圧でバイアスされ、対向電極12とは絶縁されて貫通している。プラズマ結晶は電界の位置選択性変形を受け、それによって多数の湾曲部を有する結晶形状が形成される。付加的な電極41は行または面状に整列されてもよい。付加的な電極41はまた正電位の代わりに、負電位でバイアスされてもよい。図４の下部には、本発明により操作されるプラズマ結晶で被覆された位置選択性基体の２つの例が概略して示されている。結晶断面形状が上方向を指す湾曲部を示すようにプラズマ結晶の形成が行われる場合には、前述の第１または第２の実施形態にしたがって基体30へのプラズマ結晶の接近は図４の左下部分による被覆パターンになる。反対に（付加的な電極41の負電位のために）下方向を指向する湾曲部が設定されたならば、反対方向の接近は図４の右下部分による島状被覆を生成する。電極構造又は付加的な電極の適切な成形によって、基体表面上に任意の被覆パターン、例えば円状、リング状、弧状、条帯状または類似のパターンを形成することが可能である。付加的な電極が図４にしたがって可動に配置されたならば、付加的な変形が可能であり、プラズマ結晶40の操作は時間の経過とともに変化されてもよい。したがって、異なる被覆パターンが順次基体30に与えられることができる。電極間の電界の位置選択性変形の別の設計を図５乃至８を参照して以下説明する。図５は本発明の構造に適した反応装置20の分解図を示している。反応装置20は以下説明する適合電極に適応するだけでなく、他の図面で示されている本発明の設計と関連して実現されることもできる。反応装置20はコンテナ底部202に埋設された電極シート201を有している。反応空間は電極シート201を有するコンテナ底部202と、コンテナ壁203と、コンテナカバー204により包囲され、真空接続205 を使用して排気されることができる。コンテナカバー204は挿入されたウィンドウ206を有し、これはコンテナカバー204のサブユニット207上に取付られ、コンテナカバー204に関して真空密に回り継手で留められてもよい。これはサブユニット207自体が真空下で回動できるように設けられる。ウィンドウ挿入部206は反応チャンバ内で操作される粒子の異なる監視または診断手段に適合するように設計されている。反応装置20の部分は真空容器のように通常の方法で接続される。さらに、側面フランジ装置を通って付加的に異なる診断装置が導入されてもよい。図５は適合ＨＦ電極11と接地された対向電極12（図１と比較）を示している。対向電極12はリング状に設計され、それによって監視手段（図示せず）のための観察開口を形成する。適合電極11の拡大された平面図が図６に示されている。適合電極11は外部コンテナ装置により乱されていない電界形状を形成するための真空容器の一般的なシリンダ形状にしたがって、基本的に円形のエッジ111を有する。エッジはリング電極112と多数の電極セグメントを含んでおり、これは示されている例では電極サブユニット113中に集められている。リング電極112は一体化部材からなる連続的な電極セクションとして示されており、高いセグメント電極セクションの電界の電界補正（平坦化）のために設けられている。その代わりに、リング電極112 の代わりにセグメント化された電極セクションを設けることも可能であり、それにおいてはセグメントは同一電界でバイアスされている。電極サブユニットとリング電極間の転移部では、リング（恐らくは下部から研磨した）がサブユニット上で押付けられるような方法でサブユニットは高さが変更される。電極サブユニット113はリング電極112により囲まれている電極11の内部セクションに設けられており、それぞれ多数の電極セグメントを含んでいる。電極セグメントの形状、サイズ、および数は電極11、12間（図１と比較）の直流または低周波電界（Ｅ）に関する空間的な要求を考慮してアプリケーションに依存して設計される。調整可能な電界形状の最大の変化性は、多数の点状電極セグメント（以下、ポイントセグメントまたはポイント電極と呼ぶ）のマトリックス配置により実現される。これに関して、用語点状電極セグメントまたはポイントセグメントは、各電極セグメントが反応チャンバに面する限定された狭い区域を有するが、実質上電極11の全体の寸法よりもはるかに小さい寸法を有することを意味する。例えば各ポイント電極は、電極11の外部寸法（直径）に関しては１／３００等、約１／５００乃至１／１００の係数で小さい特徴的な長さの寸法を有する。マトリックスグリッドはアプリケーションに基づいてさらに大きく選択されてもよい。ここで示されている適合電極のポイントグリッド形状の場合、ポイント電極の特徴的な長さの寸法はプラズマ内の粒子のデバイ長以下（例えば約３ｍｍ）であることが好ましい。例えば適合電極11はリング電極112の幅が約５ｃｍで、約５０ｃｍの外部直径を有し、それによって電極セグメント113の内部セクションは直径約４０ｃｍを有する。適合電極サブユニット113は全体で例えば約５０，０００乃至１００，０００のポイントセグメントを含んでもよい。セグメント化の好ましい尺度は、図７を参照してより詳細に説明するように、有効な１／２０インチのプラグ設置に適合する１．２７ｍｍグリッドである。この場合、電気的に相互に絶縁されている約８０，０００のポイントセグメントがリング電極112内に配置されることができる。明瞭にするために、図６の下部は全ての単一のポイントセグメントを示すのではなく、電極サブユニット（ポイントセグメントグループ）を示している。ポイントセグメントのグループに関する組合わせは本発明の重要な特徴ではないが、図７および８を参照して以下詳細に説明するように電極制御において利点を有する。例えば、例示された図６の下部のラインパターンは電極サブユニット113を示しており、それぞれの場合で８×３２ポイントセグメントを含んでいる。これは図６の上部で明瞭にされており、電極サブユニット113のエッジのセクション（Ｘ）の拡大図を示している。本発明は８×３２ポイントセグメントを１つの電極サブユニットに結合することに限定されず、構造およびアプリケーションに基づいてその他のグループ（例えば１６×１６ポイントセグメント）を含んでもよい。例示された図６の上部は、複数のポイントセグメントまたはポイント電極115 を有する電極サブユニット113を強調して示しており、これはそれぞれの場合、絶縁ウェブにより相互に電気的に分離されている。ポイント電極115は、反応チャンバを指向する幅ａ＝１．２５ｍｍの方形面を有する。絶縁ステム116は幅ｂ＝０．０２ｍｍを有し、それによって全体で前述の１．２７ｍｍグリッドが結果として生じる。例えば電極サブユニット113は８×３２ポイント電極115を含んでいる。さらにリング電極112と電極サブユニット113のセクションが反対にオーバーラップしていることが図６から認められる。これは図６の拡大部分で見られるように、リング電極112のエッジにおいてさえも電極11の内部セクタを最適に、密に埋めることを実現する。リング電極112と電極サブユニット113は金属電極材料からなる。電極材料はアプリケーション依存性であり、所望の製造処理にしたがって選択される。以下説明するエッチングプロセスの場合、例えばステンレス鋼、アルミニウムまたは銅が電極材料として使用されることができる。電極表面上の付着物により電気的干渉を防止するために、これは絶縁層で被覆されることが好ましく、絶縁層は例えば絶縁ウェブ116と同一の絶縁材料から構成されてもよい。絶縁層は例えば厚さ約１０μｍ乃至１００μｍ、好ましくは２０μｍを有してもよい。発生する電圧に対してポイント電極間に十分な絶縁強度を確保する任意の材料が絶縁ウェブ11 6用の絶縁材料に適している。この絶縁材料は例えばエポキシ樹脂またはその他の適切なプラスティック材料である。図７は電極サブユニット113の例示によりセグメント化された電極の組合せを示している。前述の例にしたがった電極サブユニット113は８×３２ポイント電極115を含んでいる。これらは（適合電極の図示されていないその他のセグメントと共に）上部電極セクションを形成し、それはまたセグメント化された電極12 0とも呼ばれる。セグメント化された電極はさらに絶縁プレート122を備え、そこに複数のソケット（図示せず）が埋設され、各ケースでのその量と配置は電極サブユニット113のポイント電極115に対応する。ソケットはプラグ装置123と適合するように設けられており、これは一体化したベースプレートの形態を取ってもよい。またソケットとしてプラグ装置123を設置し、絶縁プレートと一体化されたソケットと電気的な接続を行い、導電ピンを生成することも可能である。絶縁プレート122の各ソケットと対応するポイント電極115との電気接続が存在する。絶縁プレート122の構成は電極11全体または電極サブユニット113のセクションの製造プロセスに依存している。このような製造プロセスを以下例により説明する。最初に、絶縁プレート122の下側から、ドリル穴が各ポイント電極115に対して絶縁プレート122を通してそれぞれのポイント電極115の後部位置まで作られ、導電性接着剤を使用して絶縁プレートに固定された各ポイント型電極の端部で、プラグイン装置123のピンと適合するための関連するソケットが生成される。その後、所望の外側直径および厚さパラメータを有する選択された電極材料で作られた金属プレートまたはフィルムが、絶縁プレート122の所望の厚さに対応した厚さの絶縁材料から作られたプレートに接着される。材料の切削はポイント電極11 5を形成するため金属電極フィルムに対して行われ、それによってポイント電極の対応する位置は絶縁プレートの穴の上に位置される。材料の切削では、絶縁ウェブ116（図６に匹敵）のパターンにしたがったチャンネル形状の自由空間が形成される。この材料の切削は例えばマスクエッチングプロセスによって実行され、その期間中に金属フィルムがポイント電極の所望位置を除いて絶縁プレートまで取除かれる。その後、絶縁ウェブ116を形成するためのチャンネルが絶縁材料を使用して充填される。これは例えば硬化樹脂を使用した充填により実行される。別の処理手順の場合、対応する構造処理手順を使用してソケットが絶縁プレート122に形成され、これはそれぞれの場合、適合電極の方向で閉じられており、電気的にそれぞれのポイント電極115に接続されている。いずれの場合にも、セグメント化された電極は反応チャンバの真空密封した終端部を形成する。セグメント化された電極と反対側のプラグ装置123の側にはボード124が取付けられ、これは外部電子装置への接続プラグ126を支持し、デコーダ、マルチプレクサおよびデマルチプレクサ回路127、128、129をそれぞれアドレスし、その機能は図８を参照して以下詳細に説明する。示された本発明の実施形態では、２×３２のポイント電極115の各場合では、（ボード124を含む）４つのプラグ装置123はそれぞれ８×３2のポイント電極の制御のために１つのＭＵＸモジュールに結合される。４つの対応するボード124の距離は基準グリッドにより決定され、重畳された回路127、128、129の高さよりも僅かに大きい。この寸法はサイズとアプリケーションに基づいて変更されてもよい。４つのボード124は部分的に導電性の安定装置126ａにより相互に接続されている。取扱いをさらに容易にする（プラグ装置とのセグメント化された電極の固定）ために、各電極サブユニット113の絶縁プレート122の下側にカラーコード117を設けることが可能である。ボード124は図８で示されている電子スイッチングコンポーネントが集積される方法で設計されている。以下、本発明による適合電極11の電気制御について図８によるブロック図を参照して説明する。図８は反応装置20（図５参照）におけるＨＦ電極（適合電極11 ）の一部としてのポイント電極115と対向電極12（例えば図１も参照）を示している。電極サブユニット113のポイント電極115（全部で256）では、第１および第４のボード124の第１および最後のポイント電極はそれぞれの場合、拡大された位置（マトリックス位置（１，１）、（２，６４）、（７，１）、（８，６４））で示されている。さらにリング電極112が示されている。電子装置セクション130はポイント電極115に割当てられた全てのボード124（図７参照）を含んでいる。例えば８×３２のポイント電極115のボード124が示されている。電子装置セクション130は反応チャンバから見た適合電極11の反対側であり、適合電極11上の過度の圧力負荷を防ぐために真空にさらされる。電子装置セクション130中の圧力は例えば１０乃至１００ｍバールの範囲であってもよい。その代わりに、電子装置セクションは、適合電極の圧力緩和装置として、例えばオイルのような絶縁液体を使用して充填されてもよく、これは冷却機能を有してもよい。電子装置セクション130から離れて、大気状態下で電源回路140と制御装置150が設けられている。電源回路140はＨＦ発生装置141と、リング電極12 のための電源回路142と、制御電圧回路143を含んでいる。ボード124は各ポイント電極115に対する結合回路131を有する。結合回路13 １は、ＨＦ発生器141の出力電圧と制御電圧回路143のセグメント特定出力電圧により同時に、適合電極11の各ポイント電極（それぞれ一般的には各電極セグメント）をバイアスするために設けられている。本発明にしたがって、この事実は、ＨＦ供給が高周波信号であり、反応チャンバ中の電界分布の位置選択性生成が静電界をそれぞれ使用して低周波信号であるという特別な利点を有して利用されている。例えば、ＨＦ発生装置141の出力パラメータはＭＨｚ範囲の出力周波数（例えば１２乃至１５ＭＨｚのプラズマ発生および維持のための通常の周波数に対応する）と、±１５０Ｖ_ss（正弦波形）の電圧範囲を有する。これと対照的に、ポイント電極115のバイアスは低周波数（≦１００Ｈｚ）または静的（直流電圧ＤＣ）制御電圧により実行される。したがって各結合回路131はキャパシター抵抗結合の組合わせ（Ｃ１−Ｃ256、Ｒ１−Ｒ256）を含んでおり、それによってＨＦ特性は全てのキャパシタを通じて共に結合される。各ボードはさらにアドレス回路132を備え、これは前述の（図７参照）アドレスデコーダ、マルチプレクサ、デマルチプレクサ回路127、128、129を含んでおり、以下のように共同して動作する。アドレスデコード回路127は、制御回路150の切換え信号（ＤＥＭＵＸ制御およびＭＵＸ制御）に基づいて、切換え周波数２５６ｋＨｚを使用して、マルチプレクサ回路128を含む制御電圧回路143によって中央ライン133へ切換えられる電圧を選択し、ここから結合回路131へのデマルチプレクサ回路129を使用して、ポイント電極115にしたがってアドレスデコード回路127により再度選択される。示されている実施形態では、制御電圧回路143は６４の制御電圧を６４供給ラインへ供給する（図８とも比較）。電源バス143ａ上の制御電圧は例えば電圧ステップ０．６２５Ｖにより区分され、±２０Ｖ（直流電圧）の範囲をカバーする。したがって、マルチプレクサ回路128は、６４の供給ライン143ａのうちの１つと中心ライン133との接続のために１：６４の選択を行う。示されている実施形態では、さらに２５６のポイント電極115による２５６の結合回路131が設けられ、それによってデマルチプレクサ回路129は中心線133から結合回路131のうちの１つへ２５６：１の選択を行う。（電極サブユニットにしたがって）ボード124に属するポイント電極115は好ましくはある逐次的パターンにしたがって順次直列的に制御される。このことに関して特別な利点により、結合キャパシタＣ１−Ｃ256の二重機能が使用される。これらはＨＦ信号の結合を行うだけでなく、直列的な制御シーケンスにしたがって制御電圧回路143への接続がない限り、個々のポイント電極の電極電位のメインテナンスを行う。各ポイント電極115からプラズマを通って一定の電流漏洩が存在するので、結合キャパシタＣ１−Ｃ256は所望の電圧へ周期的に再充電されなければならない。結合キャパシタはアプリケーション依存性の電極電圧のそれぞれの結合キャパシタでの放電およびパワー損失と、さらに制御サイクル中の関連するポイントダイオードにおける電圧損失が電極電圧に関係する（≦１％）ように設計される。アドレスデコード回路127の切換え周波数は、サブユニット113に属するポイント電極115の数と、制御電圧変化の周波数と、ポイント電極における１サイクル中の電圧定常性に基づいて選択され、それによってサブユニットまたはセグメントグループ113による直列的なサイクルシーケンスは制御電圧変化の低周波電圧よりも実質上高い周波数を有する。例えばこれは２５６のポイント電極と約１ｋＨｚの所望のサイクル周波数（毎秒当り各ポイント電極における１，０００の再充電プロセスに対応する）の場合、２５６ｋＨｚの切換え周波数を意味する。この制御電圧回路143の電圧段間の高速度の切換えはまたパルス化された電界動作にしたがって反応チャンバ20の電界形状の位置選択性モデリングを可能にする。図８にしたがった制御電子装置140および150全体は、電位に関してＨＦ信号に重畳され、それ故低キャパシタンスにより制御コンピュータ、ネットワーク、その他の冷却目的のインターフェイス等から結合しないようにされる。制御装置15 0を使用する制御信号の入力は光結合器を使用して行われることが好ましい。前述の適合電極11および関連する制御電子装置は以下のように変更されてもよい。電極セグメントの数、形状、配置はアプリケーションに基づいて変更されてよい。ポイント電極を使用するマトリックスを実現するとき、セグメントグループの蓄積はアプリケーションに基づいて変更されてもよい。同一のことが制御電圧回路143の電圧範囲と、調節可能な電圧ステップまたは段のサイズにも当てはまる。最後に、反応装置（図５参照）中の装置は下側に接地電極12を、また上側にＨＦ電極11（特に適合電極11）を固定することにより反対にされてもよい。適合電極11の最も重要な利点は、反応チャンバ内でのプログラム可能な空間的静止電界または低周波数電界の生成であり、それによって荷電粒子はある位置に保持されるかある方法で移動されてもよい。このことによって粒子は任意の方法で位置されることができるように操作される。図９は本発明の１実施形態の部分的な概略側面図を示しており、ここではプラズマ結晶50はＨＦ電極11と調節装置31を有する基体30との間に形成され、他方の対向電極12は段状に成形されている。このプラズマ結晶形状は例えば図２による放電装置の使用により実現されてもよい。ＵＶ光線を使用したプラズマ結晶の部分的放射により、幾つかの粒子（図９の左部分）が放電され、それによって変化のないプラズマ状態の平衡がＨＦ電極11上で低い高さで設定される。プラズマ結晶50および／または基体30の相対位置の対応する変更により、図４の下部で示されているように基体30の部分的被覆を実現することが可能である。図１０による構造素子を使用してＨＦ電極11を構成することによって、ＨＦ電極11と対向電極12間の電界が影響を受け一部分のＨＦ電極11の上記部分に位置され構造素子61により被覆されないプラズマ結晶が最小の電位のセクションにのみ形成される。構造素子61が例えば条帯状ギャップを離れた被覆バーにより形成されるならば、プラズマ結晶60は条帯型（図１０の平面に対して垂直方向に延在）である。プラズマ結晶60は本発明にしたがって基体30上に付着されてもよい。図１０による条帯設計の代わりに、ＨＦ電極11は任意の構造素子61を使用して構成またはマスクされてもよい。図１１はプラズマ結晶上で外部力を使用する付加的な可能性を示している。本発明による設計の概略平面図は、制御装置13を有するＨＦ電極11と調整装置31を有する基体30とを示している。ＨＦ電極11は図１０にしたがって構造素子（図示せず）を支持し、それによって条帯型プラズマ結晶が形成される。プラズマ結晶 70の形状は交流電圧により偏向電極71を同期的にバイアスすることによってさらに変更されることができる。偏向電極71は層平面における層状プラズマ結晶の横方向変形をさせるために設定される。例えば、図１１の下部で示されているような粒子の蛇行状振動が実現されてもよい。この結晶設計は続いて基体30上に付着されてもよい。図１２は引伸ばされた粒子を使用した表面被覆を示しており、これは特に異方性光学表面特性を実現するために適合している。引伸ばされた粒子は例えばいわゆるブッキー管（炭素原子の規則的配置からなる微細な管型粒子）である。ブッキー管は例えば数マイクロメータの長さと、約１０乃至２０ｎｍの直径を有する。これらの粒子は比較的大きい表面を有し、プラズマ内の強力な電荷と偏極を生じる。プラズマ結晶80では、ブッキー管はそれらの長さが放電電極の平面と垂直に規則的に整列されている。対応して基体30に隣接することによって、図１２の下部で示されているように引伸ばされた粒子の吸着は好ましい垂直方向で行われる。これらの吸着された物質は付加的な被覆を使用する付加的なステップでその位置に固定されてもよい。本発明による装置の部分的平面図を示している図１３にしたがって、プラズマ結晶90の操作はまた外部光源91からの放射圧力を使用することによって可能である。外部制御光源は例えば約１０ｍＷのパワーのヘリウムネオンレーザにより形成されてもよい。レーザビームを使用した粒子に与えられた放射圧力は正確な位置制御を可能にし、それは監視装置17（図１参照）を使用して監視されてもよい。放射圧力を使用することによって、プラズマ結晶は回転されるか（矢印参照）、または横方向に位置する基体上へ移動されることが好ましい。示されている本発明の実施形態に加えて、本発明による装置のさらに別の変形は、外部力を用いてプラズマ結晶の状態が位置選択的に変更される手段を使用する装置により考慮される。慎重なプラズマ制御、例えば電極平面に関して垂直に整列した磁界方向により付加的な磁界装置を実現することが可能である。さらに、被覆処理をダイナミックに行うことも可能であり、それによってプラズマ結晶が基体表面に位置選択的に与えられたとき粒子はプラズマ空間に連続して配置後に導入される。さらに基体に対して変更が行われる。基体は平面である必要はなく、湾曲した表面でもよい。幾つかの基体を有することが可能である。またディスプレイ装置としての基体に対するアプリケーションなしで本発明による装置を動作することも可能であり、それにおいては異方性粒子は予め定められたパターンのディスプレイ、例えばそれぞれ“黒色”または“透明”状態を表すディスプレイの異なる方向を切換えてもよい。異なる高さのプラズマにおいて異なるサイズの粒子を操作し、異なる波長の励起光源を使用してこれらを横方向から照射し、それによって高解像度のカラーディスプレイが生成されることも可能である。本発明の特別な利点は、これが（例えば回路製造からの）典型的なプラズマリアクタの廉価な変形により実現されることであり、その動作状態は良く知られており制御される。本発明は特別な表面特性を有するいわゆる設計者の材料の製造に使用されてもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者モルフィル、グレゴールドイツ連邦共和国、デー―81927 ミュンヘン、ハイナー―キプファルト―ベーク７ (72)発明者トーマス、フバートスドイツ連邦共和国、デー―85276 プファッフェンホフェン、ニーダースシエイエナー・シュトラーセ 127 (72)発明者スタッフラー、ティモドイツ連邦共和国、デー―82229 ゼーフェルド、ヘドビークシュトラーセ４ (72)発明者ティックマン、カールドイツ連邦共和国、デー−85748 ガルヒング、ラケルベーグ２ (72)発明者コノプカ、ウベドイツ連邦共和国、デー−85375 ノイファールン、ディータースハイマー・シュトラーセ 67 シー

Claims

【特許請求の範囲】１．キャリアガスのプラズマ中でプラズマ結晶状態で配列されている粒子（10、 40、50、60、70、80、90）を操作する方法において、粒子は少なくとも部分的に基体表面（30）に与えられることを特徴とする方法。２．キャリアガスのプラズマ中でプラズマ結晶状態で配列されている粒子（10、 40、50、60、70、80、90）を操作する方法において、粒子は少なくとも部分的にプラズマ処理を受けることを特徴とする方法。３．粒子は、外部調整力の影響および／またはプラズマ処理のプラズマ状態の変更により少なくとも部分的に処理位置に移動される請求項２記載の方法。４．プラズマ処理後、粒子は少なくとも部分的に基体表面（30）に供給される請求項３記載の方法。５．基体表面からの粒子の距離は基体表面の移動、外部調整力の影響、および／またはプラズマ状態の変更により、粒子が少なくとも部分的に基体表面に付着するまで変更される請求項１または３記載の方法。６．外部調整力は位置選択性粒子の放電または光放射圧力により行われる請求項２乃至５のいずれか１項記載の方法。７．粒子放電はプラズマ結晶状態における粒子の位置選択性ＵＶ放射によって行われる請求項６記載の方法。８．プラズマ状態の変更は、プラズマ圧力、プラズマ温度、キャリアガス、プラズマエネルギおよび／またはプラズマの動作周波数と、プラズマ生成のオフ切換えおよび／またはプラズマ結晶状態中の粒子範囲の電界における影響の変化を含んでいる請求項３乃至５のいずれか１項記載の方法。９．電界の影響には、プラズマ結晶状態にある粒子が予め定められた湾曲平面に沿って、または予め定められた方法で境界を設定した区域に配列される方法による静電界の調節が含まれている請求項８記載の方法。１０．粒子（80）は細長いバー形状を有し、基体表面に供給され、それによって細長い形状は基体表面に基本的に垂直である請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。１１．プラズマ結晶状態の粒子は平面で限定された表面を有するプラズマ結晶の形状から変移した幾何学的形状で配置されている請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法。１２．請求項１乃至１１のいずれか１項記載の方法にしたがって操作される粒子を使用する基体表面の被覆方法。１３．プラズマ生成用の装置を含む反応容器内のキャリアガスのプラズマ中でプラズマ結晶状態の粒子（10、40、50、60、70、80、90）を操作する装置において、少なくとも１つの基体（30）が反応容器内に位置されていることを特徴とする装置。１４．プラズマ生成用の装置は、基本的に並列する面状プラズマ電極（11、12）であり、キャリアガス内でガスまたはグロー放電を形成するために設定され、これらの電極間に基体が移動可能に位置されている請求項１３記載の装置。１５．反応容器は、プラズマ結晶状態にある粒子を位置選択的に操作するための電界成形構造（41）を含んでいる請求項１３または１４記載の装置。１６．位置選択性の粒子放電を行うための装置と、放射圧力を作用させる装置と、監視手段と、および／または制御手段とをさらに有している請求項１３乃至１５のいずれか１項記載の装置。１７．高周波電圧を受ける共に受けるように設置され、それぞれの場合、個々に特定の直流電圧または低周波電圧を受ける複数の電極セグメントを有する高周波電極装置（11）。１８．各電極セグメントは結合回路に接続され、それぞれ結合および充電キャパシタンス（Ｃ１，…，Ｃ256）を含んでおり、これは高周波発生器（141）から高周波電圧の同時的な結合と、制御電圧回路（143）の予め定められた出力電圧にしたがった充電とを行うために設置されている請求項１７記載の高周波電極装置。１９．電極セグメントは平面上で列および行のマトリックスとして配列されている請求項１７または１８のいずれか１項記載の高周波電極装置。２０．電極セグメントはポイント電極（115）を含んでおり、それらの電極表面は高周波電極装置の表面全体よりも実質上小さい請求項１７乃至１９のいずれか１項記載の高周波電極装置。２１．電極セグメント（115）は、電極サブユニット（113）中に結合されている請求項１７乃至２０のいずれか１項記載の高周波電極装置。２２．電極セグメント（115）には絶縁プレート（122）が設けられており、その前面はプラズマ生成用の反応容器方向を向いており、各電極セグメントのソケットを有し、それによってソケットがプラグ装置（123）を受けるように適合されている請求項１７乃至２１のいずれか１項記載の高周波電極装置。２３．各プラグ装置（123）は、結合および制御回路（131、127、128、129）を有する１つのボード（124）をそれぞれ支持している請求項２２記載の高周波電極装置。２４．ボード（124）は、真空でバイアスされた空間中に配置されている請求項２３記載の高周波電極装置。２５．ボード（124）は絶縁性の液体で充填された空間中に配置されている請求項２３記載の高周波電極装置。２６．電極サブユニット（113）はそれぞれの場合にマルチプレクサ回路（129）およびデマルチプレクサ回路（128）の組合わせに接続され、それによってマルチプレクサ回路（129）は制御信号に応じて制御電圧回路（143）の複数の出力電圧のうちの１つと、デマルチプレクサ回路（128）の入力との間に接続を形成し、これは選択された出力電圧をそれぞれの電極サブユニット（113）の電極セグメント（115）の１つに伝送する請求項２１乃至２４のいずれか１項記載の高周波電極装置。２７．電極セグメント（113）は制御電圧回路（143）の出力電圧で順次バイアスされる請求項２６記載の高周波電極装置。