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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Substrates
mittels mindestens eines Plasma-Jets gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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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.
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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.
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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 .
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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.
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Zur
Vermeidung dieser Nachteile sind darüber hinaus Vorrichtungen bekannt,
die zwischen den beiden Elektroden eine dielektrische Barriere vorsehen.
So ist beispielsweise in der 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.
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Von
diesem Nachteil befreit sind unterschiedliche, aus der Literatur
bekante koaxiale Anordnungen der Elektroden mit einer ebenfalls
koaxial angeordneten dielektrischen Barriere zwischen den Elektroden.
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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.
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Eine
komplexe Konfiguration von Magnetfeldern wird auch zur Steuerung
der Lage des Plasma-Jets in der WO 01/88220 (auch US 2002/0030038)
beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Ionisationsprozesse 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.
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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.
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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.
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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
durchflossen, wobei das Innenrohr von Prozessgas durchflossen 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 Ionisierungsgrad
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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Im
Falle zweier ringförmiger
oder hülsenartiger
Elektroden, wie dies schematisch beispielsweise in 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.
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Es
handelt sich bei den Wirkkanten der Elektroden also um die einander
unmittelbar benachbarten äußersten
Ränder
oder Randbereiche der Elektroden.
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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.
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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 wendelförmig
an das Innenrohr an. Diese Definition einer kürzesten Verbindungslinie trägt den tatsächlich entstehenden elektromagnetischen
Feldern Rechnung
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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.
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Eine
gekrümmte
kürzeste
Verbindungslinie ermöglicht
eine weiter verbesserte Wechselwirkung zwischen dem Plasma und dem
Trägergas.
Beispielsweise kann die kürzeste
Verbindungslinie zwischen den beiden Wirkkanten wendelförmig ausgebildet
sein und sich so schraubenlinienförmig, zumindest abschnittsweise,
um das innere Rohr herumwinden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
-
1 in
teilgeschnittener, schematischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
2 in
einer Darstellung gemäß 1 ein zweites
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach Art einer Multi-Jet-Plasmaquelle,
-
3 eine
zylindrische Projektion der beiden Elektroden einer Vorrichtung
gemäß 1 in schematischer
Darstellung,
-
4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß 3,
-
5 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß 3,
-
6 ein
viertes Ausführungsbeispiel
einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß 3,
-
7 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer schematischen, teilgeschnittenen Seitenansicht ähnlich 1,
und
-
8 die
Vorrichtung gemäß 7 in
einer schematischen, teilgeschnittenen Darstellung etwa entlang
Schnittlinie VIII-VIII in 7.
-
Das
erfindungsgemäße Prinzip
soll zunächst anhand
des dritten Ausführungsbeispiels
gemäß den 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.
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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.
-
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.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst ein zylindrisches Behältnis 15,
welches bei dem Ausführungsbeispiel aus
einem isolierenden, das heißt
dielektrischen, Material besteht. 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.
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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.
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Eine
zweite, im Wesentlichen plattenförmige Elektrode 18 ist
bezüglich
der 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.
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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 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.
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Wird
zwischen den beiden Elektroden 17, 18 eine Wechselspannung
einer geeigneten Frequenz und einer geeigneten Amplitude angelegt,
was über einen
in den 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 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.
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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.
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Anhand
der 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Des
Weiteren muss hinsichtlich der 1 angemerkt
werden, dass 1 eine Bild-Aufnahme zu einem
bestimmten Zeitpunkt darstellt. Würde man den Zustand der Vorrichtung
gemäß 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.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 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.
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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.
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Das
Prozessgas gelangt durch einen Prozessgas-Auslass 32, also
dem bezüglich 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.
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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.
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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.
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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 Außenumfangsfläche 19 der
ersten Elektrode 17 eine weitere Isolier-Umhüllung angebracht
werden.
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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.
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Die
zweite Elektrode 18 befindet sich näher am Substrat 11,
als die erste Elektrode 17. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte
Konstruktion.
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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 L 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 Ionisationsgrades 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bedeutsam
für die
optimale Gestaltung der Struktur des Plasma-Jets 13 ist
auch der Abstand d zwischen dem Prozessgasaustritt 32 und
dem Trägergasaustritt 14. 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.
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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.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 2 zeigt eine Vorrichtung 40 in einer
Darstellung gemäß 1,
bei der mehrere der in 1 dargestellten Vorrichtungen 10 in
einer Reihe angeordnet sind. Das Ausführungsbeispiel der 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 1.
Aus Darstellungsgründen
sind der Hauptentladungskanal 22 und die Kernzone 29 gemäß 1 bei
dem Ausführungsbeispiel
der 2 nicht dargestellt.
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Die
in ihrer Gesamtheit in 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.
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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.
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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 (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.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, wird
die Beeinflussung des Haupt-Entladungskanals 22 durch die
grundsätzliche
Geometrie der Elektroden 17, 18 erreicht. Anhand
der 3 bis 6 sollen nun verschiedene Ausführungen
eines optimierten Elektroden-Designs beispielhaft erläutert werden.
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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 Azimuthal-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 1, den Umfangswinkel
an, wobei auf der Abszisse des Koordinatensystems der 3 der
Axialverlauf der beiden Elektroden 17, 18 dargestellt
wird.
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Aus 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 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.
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Der 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 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.
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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.
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Im
Fall von kreisförmigen
parallelen Elektrodenkanten 25a, 25b, die in 3 nicht
dargestellt sind, bilden sich Haupt-Entladungskanäle 22,
die in einer Darstellung gemäß 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.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 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.
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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.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Elektrodenanordnung in einer Darstellung gemäß 3. Aus 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 wendelförmig um das in 4 nicht
dargestellte Innenrohr 26 gemäß 1 herum.
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Anzumerken
ist in diesem Zusammenhang, dass die Elektrodenanordnungen gemäß den 3 bis 6 sämtlich anwendbar
sind bei Vorrichtungen gemäß 1.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 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 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.
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Der
Gesamtentladungskanal 22a (bzw. 22b) ist im Wesentlichen
wendelartig ausgebildet, also gekrümmt, und verläuft um das
Innenrohr 26 gemäß 1 herum.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung,
bei der die Außenelektrode 18 fünf Elektrodensegmente 52a, 52b, 52c, 52d, 52e aufweist.
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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 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.
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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.
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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.
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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 wendelförmig
ausgebildet.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gemäß 6 ist
die Außenelektrode 18 insgesamt
im Wesentlichen wendelförmig,
also sehraubenlinienförmig
ausgebildet. Dies führt
zu mehreren Hauptentladungskanälen 22a, 22b, 22c.
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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.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Ausführungsbeispiele der 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.
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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
wendelförmige
Arme 50a, 50d können gleichermaßen auch
bei Vorrichtungen, wie sie in den 7 und 8 skizziert
sind, vorgesehen werden.
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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.
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Vorteilhafterweise
ist die Innenelektrode 17 bei den Ausführungsbeispielen der 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.
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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.