Vorrichtung zur Bearbeitung eines Substrates mittels mindestens eines Plasma-Jets
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines
Substrates mittels mindestens eines Plasma-Jets gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung gemäß der DE 197 22 624 C2, die auf die Anmelderin zurückgeht. Dort ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Niedertemperatur-Plasma-Jets beschrieben. Die Plasma-Jets werden unter Ausnutzung von Hohlkathoden- Entladungen erzeugt. Öffnungen in Einzel-Hohlkathoden und in der Anode bilden miteinander axial fluchtende Bohrungspaare. Die Plasma-Jets durchstoßen jeweils einen Bereich zwischen der Kathodenbohrung und der Anodenbohrung und erstrecken sich über die Bohrungsbereiche hinaus in einen Prozessraum hinein. Mit der Vorrichtung des Standes der Technik wird eine homogene Disposition einer funktionalen Schicht auf einem bahnförmigen und gegebenenfalls temperaturempfindlichen Substrat möglich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass mit ihr auch bei Arbeitsdrücken im Bereich des Atmosphärendrucks unter Ermöglichung einer großen Bearbeitungstiefe in effizienter Weise Plasma-Jets erzeugbar sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere mit denen des Kennzeichenteils, und ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden durch wenigstens eine dielektrische Barriere voneinander getrennt sind, dass
zwischen den Elektroden zur Erzeugung eines Atmosphärendruck- Glimmentladungs-Plasmas eine Wechselspannung angelegt wird, und dass die erste Elektrode von der zweiten Elektrode bezogen auf die Strömungsrichtung des Trägergases axial und radial beabstandet ist.
Das Prinzip der Erfindung besteht zunächst darin, anstelle einer Hohlkathoden-Entladung, wie sie der Stand der Technik vorschlägt, eine Atmosphärendruck-Glimmentladung vorzusehen. Ein Atmosphärendruck- Glimmentladungs-Plasma erfordert eine dielektrische Barriere zwischen den beiden Elektroden und stellt im Vergleich zur Hohlkathoden-Entladung ein völlig anderes physikalisches Prinzip der Plasmaerzeugung dar, welches zu einer anderen Art von Plasma führt. Der Begriff „Atmosphärendruck-Glimmentladungs-Plasma" macht in diesem Zusammenhang deutlich, dass dieses Plasma auch bei Atmosphärendruck brennen kann und die Vorrichtung entsprechend bei Atmosphärendruck betrieben werden kann. Möglich und sinnvoll sind Arbeitsdrücke im Bereich zwischen 50 mbar und 10 bar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit von der Vorrichtung gemäß der DE 197 22 624 C2, die herkömmlich nur unter Einsatz einer Vakuumpumpe bei einigen mbar betrieben werden kann. Die beim Stand der Technik erforderliche Vakuumpumpe kann erfindungsgemäß entfallen. Zwar ist theoretisch mit der Vorrichtung gemäß der DE 197 22 624 C2 ein Betrieb auch bei höheren Arbeitsdrücken denkbar. Die Entladungskanäle müssen dann allerdings, unter Berücksichtigung der freien Weglänge der Elektronen, einen sehr geringen Durchmesser im Bereich von einigen μm aufweisen, was zu einer aufwändigen Konstruktion führt. Es würden dann aber auch keine Plasma-Jets erzeugt, sondern Mikrohohlkathoden-Entladungen.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beabsichtigte
Bearbeitung von Substraten, insbesondere auch mit großen
Substratflächen, sowie von Substraten, die eine besondere Topografie aufweisen und eine große Bearbeitungstiefe erfordern, ist mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich.
Als Plasma-Jet im Sinne der Erfindung wird ein Atmosphärendruck- Glimmentladungs-Plasma bezeichnet, welches bei optischer Betrachtung im Betriebszustand der Vorrichtung eine Jet- oder Strahlform aufweist und aus der Vorrichtung heraus, insbesondere aus dem Behältnis heraus extrahiert ist und sich bis zu einem distanziert von der Vorrichtung angeordneten Substrat erstreckt. Anzumerken ist, dass das Substrat während der Bearbeitung durch die Vorrichtung stationär angeordnet sein kann oder relativ zu der Vorrichtung eine Bewegung durchlaufen kann.
Als Bearbeitung eines Substrates im Sinne der Erfindung wird jegliche Behandlung, insbesondere Oberflächenbehandlung, eines Substrates, insbesondere eine Beschichtung, Strukturierung (Lithografie), Reinigung oder Modifikation der Substratoberfläche beziehungsweise des Substrates verstanden. Der Plasma-Jet ist ein kalter, chemisch reaktiver Plasma-Jet, der bei geringen Temperaturen von wenigen 10° C brennt. Jedem Plasma-Jet werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die chemisch reaktiven und physikalisch angeregten Spezies mit Hilfe einer dielektrisch behinderten Primärentladung bereitgestellt.
Zum ergänzenden und vertieften Verständnis der Erfindung wird im Folgenden ein Überblick über eine Vielzahl weiterer Vorrichtungen des Standes der Technik gegeben, die mit Bogenentladungen arbeiten. Bei Bogenentladungen befindet sich jedoch zwischen der ersten und der
zweiten Elektrode keine dielektrische Barriere, so dass es sich um nicht vergleichbare Plasmen handelt.
Die Plasma-Jets in Form von Bogenentladung sind schon seit langer Zeit bekannt. Unterschiedliche Varianten und Anwendungen sind
Gegenstand von zahlreichen Patentschriften. In der US 5,272,979 wird z.B. eine Vorrichtung beschrieben, in der eine Bogenentladung zwischen einer Innenelektrode und einer Außenelektrode gezündet wird. Sie überträgt die elektrische Energie auf einen Gasfluss der in Form eines Plasma-Jets aus einer Austrittsdüse austritt und zu einem Substrat geführt wird. Ein derartiger Plasma-Jet wird zur Strukturierung oder Reinigung von lithographischen Platten eingesetzt. Eine ähnliche Vorrichtung für lithografische Zwecke ist in der US 5,062,364 gegeben. Eine weitere
Vorrichtung, die sich auf eine verbesserte Gasführung konzentriert ist in der US 6,408,755 beschrieben.
Eine wesentliche Rolle spielt bei den Vorrichtungen des Standes der Technik auch die Art und Weise der Gaszuführung in die Vorrichtung. Damit befasst sich z.B. die WO 01/43512. Das Gas wird hier in die Entladungszone unter einem bestimmten azimuthalen und axialen Winkel eingeführt, so dass es zur Entstehung einer Verwirbelung des Gasflusses kommt. Dies führt zur Erhöhung der Effizienz der Wechselwirkung der Entladung mit dem Gas. Diese Vorrichtung findet bei der Reinigung von Walzen und Bändern Anwendung (vgl. EP 1 170 066).
Ein „Atmospheric-pressure plasma jet" gemäß US 5,961,772 weist neben einem sich verengenden Düsenbereich auch einen koaxialen Raum zwischen der Innenelektrode und der Außenelektrode auf, in dem das Trägergas auf einer wesentlich längeren Strecke als in der zuvor diskutierten Vorrichtung behandelt wird. Unter Anwendung von Helium
wird die Vorrichtung in dem „Atmospheric Pressure Glow Discharge (APGD)-Modus betrieben. Das bedeutet, dass sich in dem koaxialen Raum ein nichtgleichgewichtiges, relativ kaltes (Gastemperatur unter 250°C) Plasma mit hoher in metastabil angeregten Spezies gespeicherter Energie ausbildet, das die Erzeugung eines langen Plasma-Jets erlaubt. Die Ergänzung dieser Vorrichtung mit Mitteln zur Zuführung des Prozessgases in der Nähe der Austrittsdüse gemäß WO 99/20809 ermöglicht die Erzeugung eines chemisch reaktiven Plasma-Jets. Dabei vermeidet man die Einführung des Prozessgases zusammen mit dem Trägergas, um die chemischen Reaktionen der Primärentladung mit den Elektroden oder die Schichtabscheidung auf den Elektroden zu vermeiden und um das Quenchen der metastabil angeregten Spezies in diesem Bereich auszuschließen. Die parasitäre Schichtabscheidung, Überhitzung sowie der chemische Angriff der Entladungselektroden sind ernste Probleme bei allen Vorrichtungen zur Erzeugung von chemisch reaktiven Plasma-Jets. In der WO 01/40543 wird das Problem mit Hilfe eines an der Fläche der Außenelektrode geführten innerten Hüllgases gelöst, das die Zone des mit Prozessgas erzeugten Plasmas von der Elektrodenfläche trennt.
Die häufig in der Literatur beschriebene Lösung für die Bereitstellung des Prozessgases ist eine direkte Zuführung in die Zone des Plasma-Jets, wie z.B. die Zuführung eines kohlenstoffhaltigen Monomers zum Aufbau von Diamantfilmen mit einer Methode und einer Vorrichtung nach EP 0388861.
Der Nachteil der zahlreichen, zuvor beschriebenen Vorrichtungen, die mit Bogenentladungen arbeiten, ist, dass eine direkte Stromverbindung zwischen den zwei elektrisch nur durch das Plasma
voneinander getrennten Elektroden entsteht. Bereits kleine Variationen des Elektrodenabstandes oder der Beschaffenheit der Elektrodenoberfläche führen zur Fokussierung der Entladung und Entstehung eines Hot-Spots oder anderer Arten von räumlichen Inhomogenitäten.
Zur Vermeidung dieser Nachteile sind darüber hinaus Vorrichtungen bekannt, die zwischen den beiden Elektroden eine dielektrische Barriere vorsehen. So ist beispielsweise in der Fig. 2 der US 2002/0097295 eine Vorrichtung beschrieben, in der zwei Elektroden, die „up-stream" Elektrode 1 und die „down-stream" Elektrode A, auf einem gemeinsamen dielektrischen Rohr angebracht sind. Die beiden Elektroden 1, A, sind im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet und umgeben das dielektrische Rohr. Sie sind axial voneinander beabstandet. Die primäre Entladung 4 bildet sich in der axialen Richtung zwischen den beiden Elektroden aus und kann in einen Plasma-Jet 5b übergehen, vorausgesetzt, man wählt geeignete geometrische Dimensionen und Betriebsparameter. Die Erzeugung von Plasma-Jets ist jedoch nicht vorrangiges Ziel der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Vorrichtung. Ein Problem dieser Anordnung ist im Übrigen, dass die Zündstrecke zwischen den Elektroden innerhalb und außerhalb des Rohrs gleich lang ist und somit eine parasitäre Entladung in dem Außenbereich nicht auszuschließen ist.
Von diesem Nachteil befreit sind unterschiedliche, aus der Literatur bekante koaxiale Anordnungen der Elektroden mit einer ebenfalls koaxial angeordneten dielektrischen Barriere zwischen den Elektroden.
Koinuma et al beschreiben in US 5,221,427 eine Vorrichtung und in US 5,198,724 eine Methode zur Behandlung von Oberflächen unter Atmosphärendruck mit einem Plasma-Jet. Dabei wird ein Arbeitsgas,
typischerweise eine Helium-Gasmischung, durch einen koaxialen Bereich zwischen der axial positionierten Innenelektrode und dem elektrisch isolierenden Außenrohr und der Außenelektrode geführt und mit dem dort zwischen der Innenelektrode und der Außenelektrode mit Hilfe eines Spannungsgenerators aufgebauten elektromagnetischen Feldes zu einer primären Entladung umgewandelt und dann in Form eines chemisch und physikalisch aktivierten Plasma-Jets in Richtung des Substrates ausgetrieben. Dort bewirkt der Plasma-Jet die Oberflächenmodifikation, Schichtabscheidung, Reinigung oder andere Plasmaprozesse. In einer in der US 5,369,336 beschriebenen Variante dieser Vorrichtung werden Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes hinter dem Substrat angebracht um die Form des Plasma-Jets und seine Richtung zu beeinflussen.
Eine komplexe Konfiguration von Magnetfeldern wird auch zur Steuerung der Lage des Plasma- Jets in der WO 01/88220 (auch US 2002/0030038) beschrieben.
In der US 5,523,527 und der US 6,221,268 beschreiben Kim Li und M. Tanielian eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Atmosphärendruck- Glimmentladung, die mit Hilfe der Hochfrequenzleistung (13.56 MHz) in Form eines Jets erzeugt wird. Das Entladungsschema und die Elektrodengeometrik entspricht dem Prinzip gemäß der US 5,221 ,427. Als Anwendungsbeispiel wird die Modifikation von Kunststoffoberflächen genannt.
Eine umgekehrte Anordnung der koaxialen Elektroden und der dielektrischen Barriere liegt der EP 0921713 A2 zugrunde. In diesem Fall wird das Arbeitsgas in der koaxialen Zone zwischen der Außenelektrode und der dielektrischen Umhüllung der Innenelektrode in axialer Richtung geführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Vorrichtungen auch wesentlich durch ihre Elektrodengeometrie. So ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Elektrode von der zweiten Elektrode, bezogen auf die Strömungsrichtung des Trägergases, axial und radial beabstandet ist. Eine derartige Elektrodengeometrie setzt zunächst eine Strömungsrichtung des Trägergases voraus. Es wird dabei davon ausgegangen, dass das Trägergas im Bereich der beiden Elektroden im Wesentlichen entlang einer Geraden strömt. Insbesondere entspricht die Strömungsrichtung des Trägergases im Bereich der Elektroden der Längserstreckung des Behältnisses in dem Bereich der Elektroden, beispielsweise einer Mittellängsachse des Behältnisses. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind erfindungsgemäß axial und radial voneinander beabstandet. Das Trägergas strömt dabei entlang der Strömungsrichtung zwischen den beiden Elektroden hindurch, wobei sich aufgrund der angelegten Wechselspannung Hauptentladungskanäle zwischen den beiden Elektroden ausbilden. Die Hauptentladungskanäle bilden sich dabei im Wesentlichen entlang kürzester Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden. Da die erste Elektrode von der zweiten Elektrode axial und radial beabstandet ist, ist die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden im Wesentlichen schräg zu der Strömungsrichtung des Trägergases angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders intensive Wechselwirkung zwischen dem Trägergas und der Entladung.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene besondere Anordnung der Elektroden zueinander kann eine besonders lang ausgebildete und schräg zu der Strömungsrichtung des Trägergases verlaufende kürzeste Verbindungslinie erreicht werden. Je länger die kürzeste Verbindungslinie
gewählt ist, umso mehr Volumenanteile des Trägergases können mit dem Plasma wechselwirken. Zu beachten ist dabei allerdings auch, dass sich zu lang gewählte kürzeste Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden nachteilig auf die Plasmaerzeugung auswirken. Es gibt eine optimale Länge der kürzesten Verbindungslinie.
Die erfindungsgemäße Elektrodengeometrie unterscheidet sich von einer Elektrodengeometrie, die lediglich radial voneinander beabstandete Elektroden vorsieht, durch eine Schrägstellung der kürzesten Verbindungslinie relativ zu der Strömungsrichtung des Trägergases, was die Wechselwirkung zwischen Plasma und Trägergas verbessert. Die erfindungsgemäße Elektrodengeometrie unterscheidet sich von einer Elektrodenanordnung, die lediglich eine axiale Beabstandung von Elektroden vornimmt, durch eine wesentliche Komponente der kürzesten Verbindungslinie und eines im Wesentlichen entlang der kürzesten Verbindungslinie ausgerichteten Hauptentladungskanales im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Trägergases.
Da sich erfindungsgemäß Hauptentladungskanäle entlang einer Richtung schräg zur Strömungsrichtung des Trägergases bilden, kann ein großer Volumenanteil des Trägergases mit dem Plasma wechselwirken, so dass eine effiziente Betriebsweise möglich wird.
Angemerkt sei, dass im Sinne der Erfindung eine axiale Beabstandung der beiden Elektroden voneinander eine Beabstandung entlang der Strömungsrichtung des Trägergases bedeutet. Eine radiale Beabstandung der beiden Elektroden voneinander bedeutet im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung eine Beabstandung der beiden Elektroden voneinander quer zur Strömungsrichtung des Trägergases.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Hauptentladungskanäle bewirkt durch gesteigerte Wechselwirkung mit dem Trägergas eine wesentliche Steigerung der Effizienz der Vorrichtung. Die elektromagnetische Energie wird in ein wesentlich größeres Volumen an Trägergas eingekoppelt, wodurch ein höherer Anteil an Helium-Atomen in einen metastabil angeregten Zustand versetzt wird. Die so gespeicherte Energie erleichtert die lonisationsprozesse und andere Plasmaprozesse im Plasma-Jet, wodurch sowohl die Länge als auch die Intensität des Plasma-Jets im Sinne der Elektronenkonzentration und im Sinne seiner chemischen Reaktivität erhöht wird.
Die Konsequenz aus dieser Effizienzsteigerung ist, dass man wesentlich weniger Leistung und weniger Heliumfluss benötigt, um eine bestimmte Prozesswirkung zu erzielen. Dementsprechend verbessert sich die Wirtschaftlichkeit des Betriebes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gleichzeitig kann die Vorrichtung in Form einer wesentlich leichteren, einfacher skalierbaren und damit weniger aufwändigen Konstruktion realisiert werden. Die Gasführung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere innerhalb des Behältnisses, ermöglicht die Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung, wodurch gemäß den durchgeführten Experimenten der Plasma-Jet länger und die Behandlungsfläche eines Plasma-Jets größer wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, zusätzlich zu dem Trägergas ein Prozessgas zuzuleiten. Beispielsweise kann dafür ein gesondertes Behältnis nach Art eines Innenrohres vorgesehen sein, welches konzentrisch zu dem äußeren Behältnis angeordnet ist. Der Ringraum zwischen dem inneren Rohr und dem
Behältnis wird durch Trägergas durchflössen, wobei das Innenrohr von Prozessgas durchflössen ist. Es kommt im Bereich eines Auslasses der Vorrichtung für den Plasma-Jet zu einer Bildung eines Kernbereiches aus Prozessgas und eines Mantelbereiches, der durch den Plasma-Jet gebildet wird. Das Prozessgas wird innerhalb des Plasmamantels und durch den Plasmamantel bis an das Substrat herangeführt. Da das Trägergas eine wesentlich höhere Konzentration an metastabil angeregten Spezies als das Prozessgas aufweist, lässt sich im Trägergas bei gleicher eingekoppelter Leistung ein wesentlich höherer lonisierungsgrad als im Prozessgas erreichen. Deshalb lassen sich in einem aus Trägergas bestehenden Mantelbereich höhere Elektronenkonzentration und demzufolge eine höhere elektrische Leitfähigkeit erzielen. Die elektromagnetische Leistung kann entlang eines solchen Plasma-Jets auf größere Entfernungen und über größere Substratflächen transportiert werden. Die Prozesstiefe, also die Bearbeitungstiefe, und die Prozesshomogenität werden dadurch wesentlich verbessert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet beispielsweise in einem Frequenzbereich von ca. 1 kHz bis zu wenigen zehn kHz, der ausreicht, um im Betriebsmodus der Atmosphärendruck-Glimmentladung zu arbeiten und der die kapazitive Leistungseinkopplung durch die dielektrischer Barriere ermöglicht. Im Prinzip sind, je nach geometrischer Ausführung und Betriebsbedingungen, auch höhere Frequenzen bis in den MHz- Bereich anwendbar. Jedoch kann beim Betrieb im niedrigen kHz Bereich auf eine teuere Abstimmeinheit verzichtet werden. Auch die dielektrischen Verluste sind im Vergleich zu Hochfrequenz oder Mikrowellen wesentlich kleiner.
Alle diese technischen Vorteile führen zu einer wesentlichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung im Vergleich mit den zum Stand der Technik gehörenden Vorrichtungen dieser Art. Der wirtschaftliche Nutzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht daran, dass sie ganz neue technologische Möglichkeiten bietet, um auch in dreidimensionale Substrate zu behandeln. Als dreidimensionale Substrate werden solche Substrate bezeichnet, die eine besondere Oberflächentopografie aufweisen, die beispielsweise Wellentäler und Wellenberge aufweist oder eine sonstige Strukturierung. Dank einer hohen Produktion von metastabil angeregten Atomen bzw. Molekülen und deren direkter Zuführung zu der Substratoberfläche ist es möglich die bereits bekannten Prozesse, wie Oberflächenmodifikation, Reinigung, Entfettung mit höheren Prozessraten und besserer Homogenität durchzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, die Abscheidungsprozesse analog zu Niederdruck PECVD Prozessen durchzuführen, da es erfindungsgemäß möglich ist, die Substratoberfläche oder sogar deren innere Struktur der Wirkung von metastabil angeregten Spezies auszusetzen. Dies kann durch zusätzliche Zufuhr von Monomeren in Form von Gas, Dampf oder Flüssigkeit an die Substratoberfläche oder in die Substratstruktur realisiert werden.
Ein neuer Kreis von interessanten Anwendungen, die bisher weitgehend unerforscht geblieben sind, ist die Beeinflussung von biologischem Material bzw. von organischem Gewebe durch die Einwirkung von metastabil angeregten Spezies. Die Beeinflussung der Substrateigenschaften im Nanometerbereich ist auch denkbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Behältnis von einem zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Rohr
gebildet. Dies ermöglicht die Erzeugung einer laminaren Strömung des Trägergases. Außerdem ermöglicht ein derartiges Behältnis die konzentrische Anordnung eines inneren Behältnisses, innerhalb dem ein Prozessgas zusätzlich geführt werden kann. Schließlich kann die Anordnung der Elektroden an dem Behältnis auf einfache Weise vorgenommen werden, vorteilhafterweise derart, dass eine Elektrode außerhalb des Behältnisses, bzw. an dessen Außenmantelfläche, und die andere Elektrode im Innenraum des Behältnisses angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache radial und axial beabstandete Anordnung der Elektroden erreichen.
Als zylindrisches Rohr im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung wird jedes axial langgestreckte Behältnis angesehen, welches einen über seine Axialerstreckung im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist. Der Querschnitt kann rechteckig, insbesondere quadratisch, aber gleichermaßen auch elliptisch ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Behältnis ein kreiszylindrisches Rohr. Denkbar sind auch beliebige andere Querschnitte, z.B. Polygon-Züge, oder Rohrquerschnitte, die gerade Abschnitte und gekrümmte Abschnitte aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Rohr aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus einer oxidischen oder nitridischen Keramik oder aus Glas. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart, dass ein Wandungsbereich des Rohres unmittelbar die dielektrische Barriere bereitstellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Behältnisses ein zweites (inneres) Behältnis für ein Prozessgas angeordnet. Dies ermöglicht eine konzentrische Anordnung des inneren Behältnisses und des (äußeren) Behältnisses, so dass der
aus dem (äußeren) Behältnis austretende Plasma-Jet mantelartig einen inneren Kernbereich an Prozessgas umhüllen und so bis zur Substratoberfläche führen kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis des Querschnittes des von Trägergas durchflossenen Bereiches des Behältnisses zu dem Querschnitt des inneren Behältnisses gleich dem Verhältnis des Flusses an Trägergas zu dem Fluss an Prozessgas. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Strömungsrichtung des Prozessgases im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung des Trägergases. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise die Erzielung laminarer Strömungen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das innere Behältnis aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus einer oxidischen oder nitridischen Keramik oder aus Glas. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Konstruktion der Vorrichtung und eine einfache Anordnung der radial inneren Elektrode an dem inneren Behältnis.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Elektrode im Wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausbildung der Elektroden. Des Weiteren wird mit dieser Ausgestaltung der Erfindung aber auch eine zumindest teilweise Rotationssymmetrie der Vorrichtung möglich, die für eine besonders effiziente Wechselwirkung des Plasmas mit dem Trägergas sorgen kann, da eine Vielzahl möglicher Entladungskanäle ausbildbar ist.
Bei einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung sind beide Elektroden im Wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet. Die beiden Elektroden sind axial voneinander beabstandet und weisen unterschiedliche Durchmesser auf, so dass eine innere und eine äußere Elektrode entsteht, es mithin zu einer radialen Beabstandung der Elektroden voneinander kommt. Bei dieser Anordnung ist eine unendliche Vielzahl kürzester Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden denkbar. Die beiden Elektroden weisen nämlich einander zugewandte Wirkkanten auf, die von kreisförmigen Randkanten der beiden Elektroden sind. Kürzeste Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden sind in diesem Falle solche, die zu den beiden Wirkkanten senkrecht stehen. Als Wirkkante einer Elektrode wird diejenige äußerste Begrenzungskante bezeichnet, die der anderen Elektrode am nächsten ist. Handelt es sich beispielsweise, wie in den Figuren 7 und 8 dieser Patentanmeldung dargestellt, um im Wesentlichen plattenförmige, zueinander parallel angeordnete Elektroden 17 und 18, so werden als Wirkkanten die zueinander parallelen, unmittelbar benachbarten bzw. einander gegenüberliegenden Randkanten 25a, 25b bezeichnet.
Im Falle zweier ringförmiger oder hülsenartiger Elektroden, wie dies schematisch beispielsweise in Fig. 1 der vorliegenden Patentanmeldung dargestellt ist, fungieren als Wirkkanten die kreisförmige, radial äußere, der zweiten Elektrode 18 zugewandte Randkante 25a der Innenelektrode 17 und die radial innere, der inneren Elektrode 17 zugewandte Randkante 25b der äußeren Elektrode 18.
Es handelt sich bei den Wirkkanten der Elektroden also um die einander unmittelbar benachbarten äußersten Ränder oder Randbereiche der Elektroden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine Elektrode eine der anderen Elektrode zugewandte Wirkkante auf, die von einer Kreisform abweicht. Beispielsweise können hierzu Vorsprünge an den Wirkkanten vorgesehen werden, die die kürzeste Verbindungslinie zwischen den Elektroden verkürzen. Es kommt mithin zu einer vorbestimmten Anzahl genau definierter und geometrisch festgelegter kürzester Verbindungslinien. Entlang dieser kürzesten Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden bilden sich vornehmlich die Entladungskanäle aus. Durch Berechnung der Geometrie der Elektroden und durch Berechnung der räumlichen Anordnung und der Länge der kürzesten Verbindungslinie oder mehrerer kürzester Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden kann die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und dem Trägergas weiter optimiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die kürzeste Verbindungslinie zwischen zwei Wirkkanten der beiden Elektroden gekrümmt. Als kürzeste Verbindungslinie zwischen zwei Wirkkanten der beiden Elektroden wird derjenige geometrische Vektor bezeichnet, der die beiden Elektroden auf kürzestem Wege miteinander verbindet. Eine kürzeste Verbindungslinie im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung durchschneidet auch die dielektrische Barriere. Eine gekrümmte kürzeste Verbindungslinie im Falle einer konzentrischen Anordnung von Innenrohr und Außenrohr durchschneidet jedoch nicht das dielektrische Innenrohr, sondern schmiegt sich beispielsweise wendeiförmig an das Innenrohr an. Diese Definition einer kürzesten Verbindungslinie trägt den tatsächlich entstehenden elektromagnetischen Feldern Rechnung Gleichermaßen kann eine gekrümmte kürzeste Verbindungslinie zwischen zwei Wirkkanten der Elektroden auch dadurch gebildet sein,
dass eine radial äußere Elektrode durch Segmentierung derart ausgebildet ist, dass eine kürzeste Verbindungslinie aus verschiedenen Abschnitten unterschiedlicher Richtungen besteht und somit insgesamt eine einer gekrümmten Verbindungslinie angenäherte Verbindungslinie bildet.
Eine gekrümmte kürzeste Verbindungslinie ermöglicht eine weiter verbesserte Wechselwirkung zwischen dem Plasma und dem Trägergas. Beispielsweise kann die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Wirkkanten wendeiförmig ausgebildet sein und sich so schraubenlinienförmig, zumindest abschnittsweise, um das innere Rohr herumwinden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Elektrode segmentiert. Dies bedeutet, dass wenigstens eine Elektrode aus mindestens zwei elektrisch leitenden Elektrodenbestandteilen, beispielsweise Elektrodenflächen besteht, die voneinander getrennt sind. Lediglich an ein erstes Elektrodensegment wird dadurch eine Spannung angelegt. In dem zweiten Elektrodensegment wird eine Spannung induziert. Die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden verläuft dabei vorteilhafterweise insgesamt im Wesentlichen zwischen dem ersten Elektrodensegment und der anderen Elektrode. Tatsächlich verläuft eine erster Abschnitt einer kürzesten Verbindungslinie zwischen dem zweiten Elektrodensegment und einer inneren Elektrode und ein anderer Abschnitt der kürzesten Verbindungslinie zwischen dem zweiten Elektrodensegment und dem ersten Elektrodensegment. Die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden umfasst daher insgesamt zwei Abschnitte unterschiedlicher Richtungen bzw. weist eine den beiden Abschnitten angenäherte Grundform auf.
Eine Segmentierung einer Elektrode kann dafür verwendet werden, den Entladungskanal zu beeinflussen und ihm beispielsweise eine vorher bestimmte und vorausberechnete Raumform zu geben. Auf diese Weise kann die Wechselwirkung zwischen Plasma und Trägergas weiter optimiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrode stromaufwärts und die zweite Elektrode stromabwärts, bezogen auf die Strömungsrichtung des Trägergases angeordnet. Insbesondere kann dabei die erste Elektrode an einer Außenmantelfläche des inneren Behältnisses angeordnet sein und mit ihrer elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Außenmantelfläche dem Trägergas zugewandt sein. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Kontaktierung der ersten Elektrode zur Verbindung mit einem Spannungsgenerator. Außerdem kann das Trägergas an der metallischen Außenmantelfläche der ersten Elektrode vorbeiströmen, bevor es dem Plasma zugeführt wird. Die Elektrodengeometrie kann daher mit vergleichsweise geringem konstruktiven Aufwand erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung mit wenigstens einer weiteren Vorrichtung zu einer Reihenanordnung zusammengefasst. Dies ermöglicht eine Vorrichtung, die eine Vielzahl von Plasma-Jets zur Bearbeitung eines Substrates erzeugen kann. Vorteilhafterweise erstreckt sich eine Vielzahl von Vorrichtungen, beispielsweise fünf bis zehn Vorrichtungen, entlang einer Reihe. Mehrere Reihen können auch zu einer rasterartigen Anordnung, einem sogenannten „array" aus Vorrichtungen zusammengesetzt sein. Besonders vorteilhaft ist, wenn mehrere Vorrichtungen eine gemeinsame Trägergaszuführung und/oder eine gemeinsame
Prozessgaszuführung aufweisen. Der Konstruktionsaufwand für eine derartige Vorrichtung kann auf diese Weise gering gehalten werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nicht zitierten Unteransprüche sowie aus der nun folgenden Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele. Darin zeigen:
Fig. 1 in teilgeschnittener, schematischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 in einer Darstellung gemäß Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Art einer Multi-Jet- Plasmaquelle,
Fig. 3 eine zylindrische Projektion der beiden Elektroden einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 in schematischer Darstellung,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß Fig. 3,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß Fig. 3,
Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß Fig. 3,
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen, teilgeschnittenen Seitenansicht ähnlich Fig. 1, und
Fig. 8 die Vorrichtung gemäß Fig. 7 in einer schematischen, teilgeschnittenen Darstellung etwa entlang Schnittlinie Vlll-Vlll in Fig. 7. Das erfindungsgemäße Prinzip soll zunächst anhand des dritten
Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 7 bis 8 erläutert werden. Angemerkt sei zunächst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet ist. Gleiche oder vergleichbare Teile oder Elemente der Vorrichtung sind in der nun folgenden Beschreibung der Übersichtlichkeit halber mit gleichen Bezugszeichen, teilweise unter Hinzufügung kleiner Buchstaben bezeichnet worden.
Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Bearbeitung eines Substrates 11 beziehungsweise insbesondere zur Bearbeitung einer Oberfläche 12 des Substrates 11 sehr schematisch. Ein Plasma-Jet 13 kann durch einen Auslass 14 der Vorrichtung 10 aus der Vorrichtung 10 extrahiert werden und bis an das Substrat 11 herangeführt werden. Dort kann er eine Bearbeitung der Oberfläche 12 vornehmen, beispielsweise die Oberfläche 12 beschichten, strukturieren, modifizieren od. dgl.
Fig. 7 lässt bereits erkennen, dass das zu bearbeitende Substrat von der Vorrichtung 10 beabstandet angeordnet ist. Die nachfolgend beschriebenen Elektroden 17, 18 sind somit auf der gleichen Seite des Substrates 11 angeordnet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung spielt es darüber hinaus auch keine Rolle, ob das Substrat 11 bzw. dessen Oberfläche 12 leitend oder isolierend ausgebildet ist. Das an die Vorrichtung 10 herangeführte Substrat 11 beeinflusst die Elektrodenpotentiale nicht. Die Vorrichtung 10 umfasst ein zylindrisches Behältnis 15, welches bei dem Ausführungsbeispiel aus einem isolierenden, das heißt
dielektrischen, Material besteht. Fig. 8 lässt erkennen, dass das Behältnis 15 einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt besitzt, der von vier Seitenwänden 16a, 16b, 16c, 16d gebildet wird. Durch das Behältnis 15 hindurch strömt im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung des Pfeiles x ein Trägergas, insbesondere Helium. Die Strömungsrichtung x entspricht dabei im Wesentlichen der Richtung einer Längsmittelachse des Behältnisses 15.
An der unteren Seitenwand 16a des Behältnisses 15 ist eine erste, im Wesentlichen plattenförmige Elektrode 17 angeordnet. Sie ist mit ihrer nackten Oberseite, also mit ihrer metallischen Außenfläche 19, dem Innenraum 24 des Behältnisses 15 zugewandt.
Eine zweite, im Wesentlichen plattenförmige Elektrode 18 ist bezüglich der Figuren 7 und 8 oberhalb der oberen Seitenwand 16c des Behältnisses 15 angeordnet. Die zweite Elektrode 18 ist mit einer Isolier- Umhüllung 20 versehen.
Im Folgenden wird der Übersichtlichkeit halber die erste Elektrode 17 als stromaufwärtige Elektrode und die zweite Elektrode 18 als stromabwärtige Elektrode bezeichnet, was der Richtung x des Flusses des Trägergases Rechnung trägt.
Die stromaufwärtige Elektrode 17 ist von der stromabwärtigen Elektrode 18 um den Abstand L in Axialrichtung, also in Richtung der Strömungsrichtung x des Trägergases, beabstandet. Zugleich ist die stromaufwärtige Elektrode 17 von der stromabwärtigen Elektrode 18 um einen Betrag R in Radialrichtung, also quer zur Strömungsrichtung x des Trägergases beabstandet. Die beiden Elektroden 17, 18 sind daher axial und radial voneinander beabstandet.
Die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden 17, 18 ist mit 21 bezeichnet. Es handelt sich dabei um die Linie, die auf kürzestem Wege eine Außenkante 25a der ersten Elektrode 17 mit einer Außenkante 25b der zweiten Elektrode 18 verbindet. Die Elektroden 17, 18 sind bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7 und 8 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Dementsprechend sind die beiden einander zugewandten Randkanten 25a, 25b der beiden Elektroden 17, 18, die im Folgenden als Wirkkanten bezeichnet werden, jeweils entlang einer Geraden ausgerichtet und zueinander parallel.
Wird zwischen den beiden Elektroden 17, 18 eine Wechselspannung einer geeigneten Frequenz und einer geeigneten Amplitude angelegt, was über einen in den Figuren 7 und 8 nicht dargestellten Spannungsgenerator geschieht, so bildet sich ein Entladungshauptkanal 22 im Bereich der kürzesten Verbindungslinie 21 aus, und zwar im Wesentlichen entlang der kürzesten Verbindungslinie 21. Der Hauptkanal 22 der Entladung ist in den Figuren 1, 7 und 8 schematisch im Querschnitt nach Art einer schmalen, langgestreckten Wolke dargestellt. Ein derartiges Bild ergibt sich auch für einen Betrachter, wenn mit geeigneten Mitteln eine bildliche Aufnahme von der Vorrichtung im Betrieb gemacht wird.
Durch Wechselwirkung des Entladungshauptkanales mit dem Trägergas bildet sich ein Plasma 23, eine sogenannte Primärentladung, nach Art einer Plasmawolke, die in Richtung zu dem Substrat 11 hin in einem Plasma-Jet 13 mündet. Bei geeigneter Wahl des Flusses des Trägergases kann das Substrat 11 mittels des Plasma-Jets bearbeitet werden.
Dadurch, dass der Hauptentladungskanal 22 im Wesentlichen entlang der kürzesten Verbindungslinie 21 eine besondere räumliche Lage und Länge, bezogen auf die Richtung x des Stromes des Trägergases
einnimmt, kann ein besonders langer und intensiver Plasma-Jet 13 gebildet werden. Die vorherbestimmbare räumliche Anordnung des Hauptentladungskanales 22 bewirkt eine Maximierung der Leistungseinkopplung in die chemisch und physikalisch angeregten Spezies in dem Trägergas. Dadurch, dass der Hauptentladungskanal 22 unter einem spitzen Winkel α zu der Strömungsrichtung x des Trägergases geneigt ist, kann das Trägergas mit einem großen Volumen mit dem Hauptentladungskanal 22 zusammenwirken und wird auf diese Weise räumlich und zeitlich besonders gut geführt. Aufgrund eines längeren und intensiveren Plasma-Jets 13 kann das Substrat effizienter behandelt werden.
Anhand der Fig. 1 soll nun ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 beschrieben werden, bei dem das Behältnis 15 als ein kreiszylindrisches hohles Rohr 15 ausgebildet ist. Innerhalb des äußeren Rohres 15 ist konzentrisch zu diesem ausgerichtet ein zweites inneres Rohr 26 angeordnet. Durch das Innenrohr 26 hindurch kann entlang der Strömungsrichtung y, also im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung x des Trägergases, ein Prozessgas strömen. Auch das Innenrohr 26 besteht aus dielektrischem Material.
Die erste Elektrode 17 ist im Wesentlichen hülsenartig, also nach Art eines axial langgestreckten Ringes ausgebildet und auf der Außenmantelfläche 33 des Innenrohres 26 aufgebracht. Mit ihrer Außenseite 19 ist sie dem ringraumförmigen Innenraum 24 des Behältnisses 15 zugewandt.
Die zweite, stromabwärtige Elektrode 18 ist auf der Außenmantelfläche 34 des Außenrohres 15 angebracht. Sie ist ebenfalls im Wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet und umgibt das Außenrohr 15 in Umfangsrichtung. Auf ihrer Außenmantelfläche 35 ist die
stromabwärtige Elektrode 18 von einer Isolier-Umhüllung 20 umgeben. Auch die zu dem Substrat 11 hin gerichtete Ringstirnfläche einschließlich der Randkante 36 der zweiten Elektrode 18 ist von einem Bereich 20a der Isolier-Umhüllung 20 umgeben.
Die erste Elektrode 17 ist über eine Verbindungsleitung 28a und die zweite Elektrode 18 über eine Verbindungsleitung 28b mit einem Wechselspannungsgenerator 27 verbunden. Bei Anlegen einer Wechselspannung einer Frequenz typischerweise zwischen 1 und 30 kHz und bei einer Amplitude von 100 V bis 10 kV kommt es zur Bildung eines Hauptentladungskanales 22 im Wesentlichen entlang einer kürzesten Verbindungslinie 21 zwischen einer Wirkkante 25a und der ersten Elektrode 17 und einer Wirkkante 25b der zweiten Elektrode 18. Fig. 1 zeigt schematisch eine realitätsnahe bildliche Momentaufnahme der Vorrichtung im Betrieb, aus der deutlich wird, dass der Hauptentladungskanal 22 von der kürzesten Verbindungslinie 21 tatsächlich nur geringfügig abweicht. Dies ist unter anderem begründet in der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases entlang der Strömungsrichtung x.
Des Weiteren muss hinsichtlich der Fig. 1 angemerkt werden, dass Fig. 1 eine Bild-Aufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellt. Würde man den Zustand der Vorrichtung gemäß Fig. 1 einige Mikrosekunden früher oder später betrachten, stellt man fest, dass sich an einem anderen Bereich zwischen den beiden Elektroden 17 und 18 Hauptentladungskanäle 22 bilden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besitzt die erste Elektrode 17 und die zweite Elektrode 18 beispielsweise jeweils eine kreisförmige Wirkkante 25a, 25b. Die jeweils kürzesten Verbindungslinien 21 zwischen
den beiden Wirkkanten 25a, 25b sind daher rotationssymmetrisch um die Mittellängsachse M der Vorrichtung 10 herum verteilt. Da die Hauptentladungskanäle 22 jeweils nur einige Mikrosekunden bestehen bleiben, welches im Folgenden detaillierter beschrieben wird, bilden sich innerhalb kurzer Zeit nacheinander jeweils unterschiedliche Hauptentladungskanäle.
Durch Wechselwirkung des Trägergases mit den Hauptentladungskanälen 22 kommt es zur Bildung einer Plasmawolke 23, die in einen Plasma-Jet 13 mündet, der aus der Plasma-Jet-Öffnung 14 aus der Vorrichtung 10 extrahiert wird.
Das Prozessgas gelangt durch einen Prozessgas-Auslass 32, also dem bezüglich Fig. 1 linken Ende des Innenrohres 26, in den Plasma-Jet 13 hinein und bildet dort eine Kernzone 29 aus Prozessgas, die bis zur Substratoberfläche 12 reicht. Der Plasma-Jet 13 bildet eine Art Mantelzone 30 aus, die die Kernzone 29 umgibt. In dem Fußbereich 31 des Plasma-Jets 13, in dem dieser auf die Substratoberfläche 12 trifft, verbreitert sich der Plasma-Jet 13, wobei sich auch im Bereich des Fußes 31 noch eine Kernzone 29a und eine Mantelzone 30a erkennen lässt. Diese Ausbildung von Kernzone 29 und Mantelzone 30 ermöglicht eine besonders homogene Bearbeitung des Substrates 11 bei einer besonders großen Bearbeitungstiefe. Der außen liegende Mantelbereich 30 weist eine höhere Konzentration von metastabil angeregten Spezies auf, wodurch in diesem Bereich eine höhere Elektronenkonzentration erreicht wird und ein Transfer der elektromagnetischen Leistung auf eine größere Entfernung entlang des Plasma-Jets 13 und über eine größere Fläche des Substrates 11 im Fußbereich 31 des Plasma-Jets 13 möglich ist. Bei einer solchen Struktur des Plasma-Jets 13 vermischen sich das Trägergas mit dem
Prozessgas erst an der Oberfläche 12 des Substrates, wodurch es erst dort zur intensiven Energieübertragung durch Quenching und Penning- Stöße von den Teilchen aus dem Mantelbereich 30a mit den Teilchen aus dem Kernbereich 29b kommt. In dem Mantelbereich 30a befinden sich nicht nur die metastabil angeregten Helium-Atome und Moleküle. Ein Teil der metastabilen Anregungsenergie wird auf die in der umgebenden Luft enthaltenden Stickstoff-Moleküle übertragen. Es kommt zur Erzeugung von sehr langlebigen metastabil angeregten Stickstoff-Molekülen, die sowohl zum Transfer der chemischen als auch elektromagnetischen Energie zum Substrat 11 beitragen.
Das Innenrohr 26 und das Außenrohr 15 sind aus einem elektrischen Isolator gebildet. Im Bereich der zweiten Elektrode 18 bildet das Außenrohr 15 daher unmittelbar die dielektrische Barriere aus.
Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann zwischen der ersten Elektrode 17 und der zweiten Elektrode 18 selbstverständlich auch noch eine zweite dielektrische Barriere angeordnet sein. Beispielsweise, kann dazu auf der Außenumfangsf lache 19 der ersten Elektrode 17 eine weitere Isolier-Umhüllung angebracht werden.
Die erste Elektrode 17 ist von der zweiten Elektrode 18 um einen Axialabstand L beabstandet. Der Radialabstand R zwischen der ersten Elektrode 17 und der zweiten Elektrode 18 ist in Umfangsrichtung um die Mittellängsachse M herum konstant.
Die zweite Elektrode 18 befindet sich näher am Substrat 11, als die erste Elektrode 17. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Konstruktion.
Für gegebene Betriebsbedingungen gibt es einen Abstand L, bei dem die Länge I des Plasma-Jets 13 maximal ist. Wenn der Abstand L zu kurz ist, bietet die Länge der Entladungskanäle 22 zwischen den Elektrodenkanten 25a und 25b zu wenig Wechselwirkung mit dem Trägergas, wodurch die Konzentration der angeregten Spezies in dem Plasma-Jet 13 sinkt. Wenn der Abstand zu lang ist, verringert sich das zwischen den Elektroden 17, 18 entstehende elektrische Wechselfeld entlang der kürzesten Verbindungslinie 21, wodurch die Intensität der Primärentladung sinkt. Dies führt ebenfalls zur Verringerung der Konzentration der angeregten Spezies in dem Plasma-Jet 13. Mit steigender Konzentration der metastabil angeregten Spezies im Plasma- Jet 13 sinkt die zur Erreichung eines gegebenen lonisationsgrades des Plasma-Jets notwendige Energie. Dies führt bei konstant bleibender Leistung zu höheren Elektronenkonzentration und einem größeren Volumen, vor allem einer größeren Länge I, des Plasma-Jets.
Die effizienteste Methode der Leistungsversorgung ist ein Resonanzschaltkreis. In solchem Fall hat das Spannungssignal die Form einer Sinus-Funktion. Aber die Entladung kann prinzipiell auch mit Spannungssignalen anderer Formen versorgt werden. Die Anwendung eines Resonanzschaltkreises als Spannungsgenerator für den Plasma-Jet 13 ermöglicht die höchste Effizienz der Leistungseinkopplung und den Verzicht auf eine Abstimmeinheit. Während der Experimente mit dieser Ausführung der Erfindung wurde festgestellt, dass sich der längste Plasma-Jet 13 mit geerdeter Innenelektrode 17 und polarisierter Außenelektrode 18 erreichen lässt. Aber prinzipiell funktioniert die Vorrichtung auch mit einer geerdeten Außenelektrode 18 oder mit einem zwischen den Elektrodenpotentialen liegenden Erdepunkt. Durch die elektrische Verschiebung der Elektrodenpotentiale im Bezug auf Erdepunkt, z.B. durch die Anwendung eines Spannungsteilers, lässt sich
die Länge I des Jets 13 kontrollieren, was zur gezielten Verstellung der Behandlungstiefe des Plasma-Jets 13 benutzt werden kann.
Die Außenelektrode 18 ist mit einer Isolierversiegelung 20, 20a versehen, die die Ausbreitung von Koronaentladungen startend von der Kante 36 der Außenelektrode 18, über die Ringstirnfläche 37 des Außenrohres 15 herum verhindert. Solche parasitäre Entladungen führen zur Generierung von Ozon und Stickoxiden in der Umgebungsluft mit Konzentrationen, die weit die zulässigen Grenzwerte überschreiten. Sie bewirken auch die Ausbildung einer „Virtuellen" Außenelektrode, deren Fläche durch die Fläche der Korona-Entladungen erhöht wird. Es wird auch ein großer Teil der elektrischen Energie in diese parasitären Korona- Entladungen eingekoppelt. Aus diesen Gründen ist die konstruktive Vermeidung dieses unerwünschten Effektes sehr wichtig.
Es wurde auch experimentell nachgewiesen, dass sich ein wesentlich längerer Plasma-Jet 13 unter Bedingungen der laminaren Strömung erreichen lässt. Praktisch bedeutet es, dass die Länge I des Jets 13 mit steigendem Gasfluss nicht monoton wächst, sondern für einen bestimmten Gasfluss ein Maximum erreicht und es bei einer weiteren Erhöhung des Gasflusses zu einer Verringerung der Plasma-Jet-Länge I kommt. Einen Einfluss auf den Übergang von der laminaren zur turbulenten Strömung hat nicht nur der gesamte Gasfluss sondern auch die Art und Weise, wie das Prozessgas dem Trägergas zugeführt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es wichtig, dass die Austrittsgeschwindigkeiten des Trägergases und des Prozessgases ähnlich sind um Verwirbelungen zu vermeiden. Dies ist erfüllt, wenn das Verhältnis der Querschnittsfläche des koaxialen Bereiches 24 (Ringraum) zwischen dem Außenrohr 15 und dem Innenrohr 26 und der
Querschnittsfläche der Öffnung des Innenrohres 26 ca. gleich dem Verhältnis des Trägergas-Flusses zu dem Prozessgasfluss ist.
Bedeutsam für die optimale Gestaltung der Struktur des Plasma-Jets 13 ist auch der Abstand d zwischen dem Prozessgasaustritt 32 und dem Trägergasaustritt 14. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Auslass 32 des Prozessgases sich näher an dem Substrat 11 befindet, als der Auslass 14 des Plasma-Jets 13 beziehungsweise der Trägergasauslass 14. Der Abstand d kann dabei etwa bis zu dem Doppelten des Innendurchmessers 38 des Außenrohres 15 betragen.
Alternativ ist auch denkbar, dass sich der Auslass 14 des Behältnisses 15 für das Trägergas näher an dem Substrat 11 befindet, als der Auslass 32 des Prozessgases. Der Abstand zwischen dem Auslass 14 und dem Auslass 32 kann in diesem Falle bis zu dem zehnfachen des Innendurchmessers 38 des Außenrohres 15 betragen. Die Wahl des Abstandes d ist abhängig von dem Prozessgas und von den Prozessbedingungen. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 40 in einer Darstellung gemäß Fig. 1, bei der mehrere der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen 10 in einer Reihe angeordnet sind. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt vier in Reihe angeordnete Vorrichtungen 10, die jeweils einen Plasma-Jet 13a, 13b, 13c, 13d erzeugen. Die Bearbeitungsbreite B beträgt somit etwa das Vierfache der Bearbeitungsbreite der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1. Aus Darstellungsgründen sind der Hauptentladungskanal 22 und die Kernzone 29 gemäß Fig. 1 bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 nicht dargestellt.
Die in ihrer Gesamtheit in Fig. 2 mit 40 bezeichnete Multi-Jet- Plasmaquelle weist ein Isoliergehäuse 39 auf, an dem die Außenrohre 15a, 15b, 15c, 15d in paralleler Ausrichtung zueinander befestigt sind. Die Innenrohre 26a, 26b, 26c, 26d sind an einer Befestigungsplatte 43 befestigt. Die Befestigungsplatte 43 sorgt darüber hinaus für eine elektrische Verbindung der vier Innenelektroden 17a, 17b, 17c, 17d miteinander, die gemeinsam mit einem Massepol 45 sowie über die Verbindungsleitung 28a mit der Spannungsversorgung 27 verbunden sind. Die Außenelektroden 18a, 18b, 18c, 18d sind über Leitungsabschnitte 44a, 44b, 44c miteinander und über einen Leitungsabschnitt 28b mit der Spannungsquelle 27 verbunden. Alle Außenelektroden 18a, 18b, 18c, 18d befinden sich somit auf gleichem Potential. Auch alle Innenelektroden 17a, 17b, 17c, 17d befinden sich jeweils auf gleichem Potential. Ein erster Gasverteilungsraum 41 für das Prozessgas versorgt über eine gemeinsame Prozessgas-Einlassöffnung 46 die vier Innenrohre 26a, 26b, 26c, 26d mit Prozessgas. Ein zweiter Gasverteilungsraum 42 versorgt über eine gemeinsame Trägergas-Einlassöffnung 47 die vier Behältnisse 15a, 15b, 15c, 15d mit Trägergas.
Bei der Beobachtung eines Plasma-Jets 13 und seiner Primärentladung 22 mit bloßem Auge oder mit einer Kamera mit Belichtungszeiten im ms-Bereich gewinnt man den Eindruck, dass es sich um eine räumlich homogene und zeitlich stabile Entladungsart handelt. Dieser Eindruck erweist sich als falsch bei Betrachtung von ICCD- Aufnahmen im Mikrosekunden-Bereich. Die Entladung besteht aus partiellen Entladungen, den Entladungskanälen 22, die sich zwischen der Kante 25a der Innenelektrode und der Innenfläche 48 (Fig. 1) des Außenrohrs 15 radial innerhalb der Außenelektrode 18 ausbilden. Die dielektrische Innenfläche 48 des Außenrohrs 15 hat nur eine bestimmte Aufnahmefähigkeit für die elektrische Ladung. Da diese Ladung auf der
Außenrohroberfläche 48 länger als eine Periode der Spannungsversorgung verweilt, findet die nächste Entladung an einem anderen Bereich der inneren Fläche 48 des Außenrohrs 15 statt. Dieser Effekt kann zur gezielten Steuerung der Ausbildung des Hauptkanals 22 der Entladung benutzt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, wird die Beeinflussung des Haupt-Entladungskanals 22 durch die grundsätzliche Geometrie der
Elektroden 17, 18 erreicht. Anhand der Figuren 3 bis 6 sollen nun verschiedene Ausführungen eines optimierten Elektroden-Designs beispielhaft erläutert werden.
Fig. 3 zeigt beispielhaft in einer zylindrischen Projektion die geometrische Form der Außenelektrode 18 und der Innenelektrode 17. Zum besseren Verständnis sei angemerkt, dass diese zylindrische Projektion, die man auch als zylindrische Abwicklung oder als Azimuthai- Projektion bezeichnet, die beiden Elektroden 17, 18 in einem aufgeschnittenen, flach liegenden Zustand darstellt. Der Azimuthal-Winkel auf der Koordinate des Diagrammes gibt somit, bezogen auf die Längsmittelachse M der Vorrichtung 10 in Fig. 1, den Umfangswinkel an, wobei auf der Abszisse des Koordinatensystems der Fig. 3 der Axialverlauf der beiden Elektroden 17, 18 dargestellt wird.
Aus Fig. 3 wird deutlich, dass die Wirkkante 25a der inneren Elektrode 17 und die Wirkkante 25b der äußeren Elektrode 18 von einer Kreisform abweicht. Es sind hingegen Vorsprünge 49a, 49b, 49c, 49d in den beiden Elektroden 17, 18 vorgesehen, die zu einer Wirkkante 25a, 25b der Elektroden 17, 18 führen, die genau definierte, kürzeste Verbindungslinien 21a und 21b aufweist. Die Elektrodengeometrie der Fig. 3 ergibt zwei exakt gleichlange kürzeste Verbindungslinien, nämlich die
Verbindungslinien 21a und 21b zwischen den Vorsprüngen 49a und 49c bzw. zwischen den Vorsprüngen 49b und 49d.
Der Fig. 3 entnimmt man des Weiteren, dass die Vorsprünge 49a, 49b der ersten Elektrode 17 zu den Vorsprüngen 49c, 49d der zweiten
Elektrode 18 umfangsversetzt sind. Dementsprechend ist die kürzeste
Verbindungslinie 21a, 21b auch in der Darstellung der Fig. 3 nicht parallel zu der Strömungsrichtung x des Trägergases ausgebildet, sondern verläuft schräg zu dieser unter einem spitzen Winkel. Die kürzeste Verbindungslinie 21a, 21b darf man sich darüber hinaus nicht entlang einer Geraden verlaufend vorstellen, sondern unter der Berücksichtigung der geometrischen Anordnung von Innenrohr 26 und Außenrohr 15 derart, dass die kürzeste Verbindungslinie 21a, 21b ein Abschnitt einer Wendel ist. Die kürzeste Verbindungslinie 21a, 21b ist somit gekrümmt, da sie per Definition das Innenrohr 26 nicht schneiden kann.
Die Anordnung der Vorsprünge 49a, 49b, 49c, 49d führt zur Ausbildung eines zur Gasflussrichtung x schräg verlaufenden Haupt- Entladungskanals 22, der der kürzesten Verbindungslinie 21a, 21b im Wesentlichen angenähert ist.
Im Fall von kreisförmigen parallelen Elektrodenkanten 25a, 25b, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind, bilden sich Haupt-Entladungskanäle 22, die in einer Darstellung gemäß Fig. 3 parallel zum Gasfluss x und unter Umständen nur in einem schmalen Bereich der azimuthalen Lage auftreten. Demzufolge kann das meiste Trägergas durch die Zone der Primärenentladung 22 hindurchfließen, ohne mit den Haupt- Entladungskanälen 22 zu wechselwirken. Durch die Begünstigung der Entstehung von mehr als einem Haupt-Entladungskanal 22 und durch seine von der Parallelität zur Hauptachsenrichtung x abweichende Lage,
wird das Volumen, in dem die Wechselwirkung zwischen dem Trägergas und dem Haupt-Entladungskanal 22 stattfindet, wesentlich vergrößert. Dadurch entstehen die metastabil angeregten Spezies in einer viel größeren Menge und in einem viel größeren Volumen. Dies führt zur Ausbildung eines längeren und intensiveren Plasma-Jet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bilden sich demgemäß
Hauptentladungskanäle 22, die im Wesentlichen an die kürzesten
Verbindungslinien 21a, 21b angenähert sind. Auch die Hauptentladungskanäle 22 verlaufen somit entlang einem Abschnitt einer
Wendel.
Die Zahl von Vorsprüngen 49a, 49b, 49c, 49d an den beiden Elektroden 17, 18 ist lediglich beispielhaft zu verstehen und abhängig von der Art der Anwendung der Vorrichtung 10.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung in einer Darstellung gemäß Fig. 3. Aus Fig. 4 wird deutlich, dass die Außenelektrode 18 zwei spiralartige Arme 50a und 50b aufweist. Die beiden Elektrodenarme 50a, 50b sind nach Art von langgestreckten Vorsprüngen ausgebildet und erstrecken sich wendeiförmig um das in Fig. 4 nicht dargestellte Innenrohr 26 gemäß Fig. 1 herum. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass die Elektrodenanordnungen gemäß den Figuren 3 bis 6 sämtlich anwendbar sind bei Vorrichtungen gemäß Fig. 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden 17, 18, die Strecke zwischen dem freien Ende 51 eines Spiralarmes 50a, 50b und der
Wirkkante 25a der Elektrode 17. Da der radiale Abstand zwischen der inneren Elektrode 17 und der äußeren Elektrode 18 konstant ist, und da ein Hauptentladungskanal 22 sich nicht durch die dielektrische Barriere der Wandung des Behältnisses 15 hindurch entwickeln kann, sondern ausschließlich in dem vom Trägergas durchflossenen Bereich gebildet wird, führt die Elektrodengeometrie gemäß Fig. 4 zu einem aus zwei Abschnitten 22'b und 22"b zusammengesetzten Hauptentladungskanal 22b, der abgeknickt ist. Gleichermaßen setzt sich der Hauptentladungskanal 22a aus einem ersten Kanalabschnitt 22'a und einem dazu abgewinkelten zweiten Kanalabschnitt 22"a zusammen.
Der Gesamtentladungskanal 22a (bzw. 22b) ist im Wesentlichen wendelartig ausgebildet, also gekrümmt, und verläuft um das Innenrohr 26 gemäß Fig. 1 herum.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, bei der die Außenelektrode 18 fünf Elektrodensegmente 52a, 52b, 52c, 52d, 52e aufweist. Die Elektrodensegmente 52a, 52b, 52c, 52d, 52e sind miteinander elektrisch nicht verbunden. Das Elektrodensegment 52a ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und ist mit der in Fig. 5 nicht dargestellten Spannungsquelle 27 verbunden. Ein Elektrodensegment 52b und ein Elektrodensegment 52c sind in Reihe, umfangsversetzt zueinander angeordnet. Ein weiteres Elektrodensegment 52d und ein weiteres Elektrodensegment 52e sind ebenfalls umfangsversetzt angeordnet.
Durch Anlegen einer Spannung an das Elektrodensegment 52a werden in den Elektrodensegmenten 52b und 52d Spannungen induziert.
Dadurch werden in den Elektrodensegmenten 52c und 52e ebenfalls Spannungen induziert.
Die Wirkkante 25a und die Wirkkante 25b der zweiten Elektrode 18 sind unmittelbar über nicht dargestellte kürzeste Verbindungslinien miteinander verbunden, die zu den beiden Wirkkanten 25a und 25b im
Wesentlichen senkrecht stehen. Die Anordnung der Elektrodensegmente
52b, 52c, 52d, 52e führt jedoch dazu, dass das an der Wirkkante 25a der ersten Elektrode 17 anliegende Potential ein an den Elektrodensegmenten 52c und 52d anliegendes Potential „sieht". Gleichermaßen „sieht" das an den Elektrodensegmenten 52c und 52e anliegende Potential das an den benachbarten Elektrodensegmenten 52b und 52d anliegende Potential.
Insgesamt bilden sich wiederum Hauptentladungskanäle 22a und 22b, die sich aus Hauptentladungsteilstrecken 22"b und 22'b beziehungsweise 22"a und 22'a zusammensetzen.
Die Kanalteilstrecken 22'b und 22"b beziehungsweise 22'a und 22"a sind zueinander winklig angeordnet. Die sich insgesamt aufgrund der Elektrodengeometrie ergebenden Hauptentladungskanäle 22a und 22b sind wiederum im Wesentlichen wendeiförmig ausgebildet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist die Außenelektrode 18 insgesamt im Wesentlichen wendeiförmig, also schraubenlinienförmig ausgebildet. Dies führt zu mehreren Hauptentladungskanälen 22a, 22b, 22c.
Mit 22a ist dabei der kürzest-mögliche Hauptentladungskanal bezeichnet, mit 22b der sich azimuthal in dem koaxialen Raum der Primärentladung 23 bewegende Hauptentladungskanal und mit dem Bezugszeichen 22c der längste mögliche Hauptentladungskanal.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 6 dargestellt und beschrieben sind mit kreiszylindrischen Außenrohren 15 und Innenrohren 26 und mit ringförmigen beziehungsweise hülsenförmigen Elektroden 17 und 18. In den Ausführungsbeispielen wird ein Plasma-Jet 13 am Auslass 14 des Außenrohres 15 und am Auslass 32 des Innenrohres 26 gebildet. Das durch das Innenrohr 26 strömende Prozessgas ist bei bestimmten Bearbeitungsarten des Substrates erforderlich. Von der Erfindung umfasst sind jedoch auch solche Vorrichtungen, bei denen ein Plasma-Jet 13 erzeugt wird, ohne dass ein Prozessgas zusätzlich zugeführt wird.
Die im wesentlichen rotationssymmetrische Ausbildung der Rohre 15, 26 und der Elektroden 17, 18 ist vorteilhaft, jedoch nicht unbedingt erforderlich. Vorsprünge 49a, 49b, 49c, 49d oder spiralförmige oder wendeiförmige Arme 50a, 50d können gleichermaßen auch bei Vorrichtungen, wie sie in den Figuren 7 und 8 skizziert sind, vorgesehen werden.
Der Abstand L zwischen den beiden Elektroden 17, 18 wird vorteilhafterweise derart angepasst, dass die Ausbildung von axial langgestreckten und intensiven Hauptentladungskanälen 22 bewirkt beziehungsweise begünstigt wird. Von besonderer Bedeutung ist dabei, wenn die Entladungskanäle 22 zumindest eine Richtungskomponente aufweisen, die quer zur Gasströmungsrichtung x ausgerichtet ist.
Vorteilhafterweise ist die Innenelektrode 17 bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 6 geerdet. Auch dies ist jedoch nicht erforderlich. Alternativ kann auch ein Segment der Außenelektrode, bei einer segmentierten Außenelektrode 18 insbesondere das von der Innenelektrode 17 am weitesten entfernte Segment 52a, geerdet sein. Schließlich ist es auch möglich, dass keine der beiden Elektroden 17, 18
geerdet ist, sondern das Massepotential zwischen den beiden Elektrodenpotentialen liegt.
Hervorzuheben ist, dass bei sämtlichen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 beide Elektroden 10, 11 , dem Behältnis 15 bzw. den Behältnissen 15, 26 zugeordnet sind. Das Substrat 11 befindet sich in einem Prozessraum, in den hinein die Plasma-Jets 13 aus der Vorrichtung 10 heraus extrahiert werden. Der Prozessraum befindet sich somit außerhalb der die Elektroden 17, 18 aufweisenden Vorrichtung 10.