DE102004011118A1

DE102004011118A1 - Extraktionselektrode mit Lochblendenmuster für eine Plasmastrahlquelle

Info

Publication number: DE102004011118A1
Application number: DE200410011118
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Beckmann; Peter Pecher; Andreas Caspari
Original assignee: Leybold Optics GmbH
Current assignee: Buehler Alzenau GmbH
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: DE102004011118B4

Abstract

Bei der erfindungsgemäßen Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle, vorzugsweise einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle, zur Extraktion eines Plasmastrahls aus einem Plasmaraum ist vorgesehen, dass die Extraktionselektrode als Trägerplatte mit einem Lochblendenmuster ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle sowie ein Verfahren zum Bestrahlen einer Oberfläche mit einem Plasmastrahl gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Bei Vakuumbeschichtungsverfahren werden häufig so genannte Plasmastrahlquellen eingesetzt. Ein Plasma enthält neben neutralen Atomen und/oder Molekülen Elektronen und positive Ionen als geladene Teilchen. Die Ionen werden durch elektrische Felder gezielt beschleunigt und z. B. zum Abtragen einer Oberfläche oder zum Eintragen reaktiver Komponenten wie z. B. Sauerstoff in eine frisch aufwachsende Schicht eingesetzt und dergleichen mehr. Bekannt sind auch ionengestützte Verfahren, bei denen Material aus einer Materialquelle, typischerweise einer Verdampferquelle, verdampft wird und sich auf einem Substrat niederschlägt. Das auf dem Substrat aufwachsende Material wird mit einer reaktiven Komponente aus einem Plasma, beispielsweise Sauerstoff, beaufschlagt und bildet so z. B. eine Oxidschicht. Solche Verfahren sind z. B. bei der Herstellung transparenter Schichten für optische Anwendungen üblich. Dabei ist es auch von erheblicher Bedeutung, wie gleichmäßig der Plasmastrahl die Schicht beaufschlagt, da die optischen Eigenschaften solcher Schichten in der Regel stark mit dem Sauerstoffgehalt variieren.
Bei der Herstellung dünner Schichten in der Mikroelektronik oder für optische Anwendungen wird in der Regel die Bereitstellung möglichst gleichmäßiger Schichtdicken und Schichteigenschaften, wie z. B dem Brechwert der abgeschiedenen Schichten, angestrebt. Im industriellen Einsatz werden dabei große Flächen und/oder viele Substrate gleichzeitig beschichtet, was die Problematik der Schichteigenschaften erhöht. Besonders bei optischen Schichten werden Schichtdickenschwankungen über eine Fläche oder die Substrate einer Beschichtungscharge von allenfalls wenigen Prozent als tolerabel betrachtet.

Aus dem europäischen Patent EP 349 556 B1 ist eine Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle zur Sicherstellung eines möglichst großflächigen homogenen Beschusses von Oberflächen mit Atom- oder Molekülionenstrahlen einer hohen Parallelität bekannt. Die Öffnung der Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle ist dabei mit einer Extraktionselektrode, einem sogenannten Extraktionsgitter, versehen, welches eine geringe Maschenweite aufweist, um ein Hindurchtreten des Plasmas durch dieses Gitter zu verhindern. Das Extraktionsgitter ist in Form eines geeignet konfigurierten Drahtnetzes oder in Form parallel verlaufender Drähte ausgeführt. Besteht zwischen dem Plasma und dem Extraktionsgitter eine Hochfrequenzspannung, so entsteht von selbst eine ionenbeschleunigende Potentialdifferenz, die einen neutralen Plasmastrahl ermöglicht. Der so extrahierte Ionenstrom wird durch einen im Takt der Hochfrequenz fließenden Elektronenstrom gleicher Höhe überlagert, so dass ein neutraler Plasmastrahl erzeugt wird, der quer zur Strahlrichtung völlig homogen ist und keinerlei Modulationsstruktur aufweist. Um stets eine gute Ebenheit der Fläche des Extraktionsgitters aufrechtzuerhalten und eine nachteilige Beeinflussung des Plasmastrahls durch eine Verformung des Extraktionsgitters zu vermeiden, wird die Gitterhalterung des Extraktionsgitters der bekannten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle mit einer Nachspannvorrichtung versehen.

Als Extraktionsgitter ist ein Drahtnetz aus einem 0,1mm dicken Drahtgeflecht mit einer Maschenweite von 1mm üblich. Wird eine derartige Quelle mit Argon betrieben, können die austretenden Ionen eine Durchätzung des Drahtnetzes verursachen und damit die erreichbare Standdauer der Vorrichtung reduzieren. Zur Verlängerung der Lebensdauer des Drahtnetzes auf eine Zeit von 200 Stunden und mehr könnte daran gedacht werden, die Drahtstärke zu erhöhen. Allerdings muss als Randbedingung eine Maschenweite von ≤ ca. 1mm eingehalten werden, damit ein Austreten des Plasmas aus der Quelle verhindert wird. Bei Beachtung dieser Randbedingung mindert ein Draht höherer Drahtstärke jedoch die Durchlässigkeit des Netzes für den Plasmastrahl.

Zur Illustration dieses Problems werden im Folgenden Werte der optischen Transmission eines Drahtnetzes in Abhängigkeit von der Drahtstärke bei einer Maschenweite von 1mm angegeben.

Drahtstärke [mm]	Optische Transmission
0,1	81 %
0,2	64%
0,3	49%
0,4	36%
0,5	25%
0,6	16%
0,7	9%
0,8	4%
0,9	1 %
1,0	0%

Die Maschenweite wird hier als Abstand von Drahtmitte zu Drahtmitte definiert.

Durch Erhöhung der Drahtstärke lässt sich für praktische Anwendungen eine Verlängerung der Lebensdauer des Drahtnetzes nur begrenzt erreichen, da bei dickeren Drähten die Transmission der Ionen durch das Drahtnetz zu stark reduziert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer Extraktionselektrode mit einer hohen optischen Transmission und zugleich verlängerten Lebensdauer. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Plasmastrahlquelle eines Verfahrens zum Bestrahlen einer Oberfläche mit einem Plasmastrahl sowie einer Vakuumkammer mit einer derartigen Extraktionselektrode.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine als Trägerplatte mit einem Lochblendenmuster ausgebildete Extraktionselektrode vorgesehen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einer Plasmastrahlquelle mit einem Plasmaraum und elektrischen Mitteln zum Zünden und Erhalt eines Plasmas sowie einer Austrittsöffnung mit einer Extraktionselektrode zur Extraktion eines Plasmastrahls aus dem Plasmaraum, die Extraktionselektrode als Trägerplatte mit einem Lochblendenmuster ausgebildet. Der Ersatz einer Trägerplatte mit einem Lochblendenmuster ermöglicht eine hohe optische Transmission, vorzugsweise von mehr als 70%, und eine bis um einen Faktor 20 längere Standzeit als bei bislang verwendeten Wolframdrahtgeflechten. Eine derartige Extraktionselektrode ist ferner kostengünstig herzustellen, zu montieren und gegebenenfalls auszuwechseln. Eine Nachspannvorrichtung kann entfallen.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Elektrode, bei der Lochteilung und/oder Lochweite des Lochblendenmusters geringer oder gleich der Dicke der Raumladungszone zwischen der Trägerplatte und dem Plasma im Plasmaraum ist, womit eine hohe optische Transmission ermöglicht wird.

Bei einem Lochblendenmuster mit stark asymmetrisch geformten Löchern, wird eine typische lineare Dimension kleiner als die Dicke der Raumladungszone gewählt.

Die Lochweite beträgt vorzugsweise 0,1mm bis 10mm, besonders bevorzugt 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm, 5,0mm oder 8,0mm, da diese Werte in dem Bereich typischer Dicken der erwähnten Raumladungszone liegen.

Wenn die Trägerplatte eine Dicke von 0,05mm bis 10mm, vorzugsweise 0,2mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm, 5,Omm oder 8,0mm aufweist, wird die Lebensdauer, Temperaturbelastbarkeit und mechanische Stabilität der Extraktionselektrode erhöht.

Bei einem Aspektverhältnis von ≤ 10, bevorzugt ≤ 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 5,0 oder 8,0 wird erreicht, dass ein relativ geringer Wert von Lochteilung und/oder Lochweite mit einer ausreichenden Dicke der Trägerplatte kombiniert ist und damit eine hohe optische Transmission bei gleichzeitig hoher mechanischer und thermischer Stabilität der Extraktionselektrode erreichbar ist. Als Aspektverhältnis der Extraktionselektrode wird hier das Verhältnis Lochweite zu Dicke der Trägerplatte bezeichnet. Es versteht sich, dass bei stark asymmetrischen Lochformen, als Lochweite die kleinste lineare Dimension eines Loches bezeichnet wird.

Eine Verbesserung der mechanischen und thermischen Stabilität wird ferner erreicht, wenn die Extraktionselektrode aus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein inertes Prozessgas, vorzugsweise Argon, besteht. Alternativ oder zusätzlich kann die Extraktionselektrode auch einseitig oder beidseitig mit einer Beschichtung aus einem derartigen Material versehen sein, was sich aus Kosten-Gesichtspunkten empfiehlt. Ähnliche Vorteile lassen sich erreichen, wenn die Extraktionselektrode aus einem Material mit geringem Sputteryield zusätzlich oder alternativ für ein Reaktivgas, vorzugsweise Sauerstoff, besteht. Eine einseitige oder beidseitige Beschichtung aus einem derartigen Material kann ebenfalls vorgesehen sein. Als Material kann Wolfram, Molybdän, Graphit, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid vorgesehen sein.

In einer preiswerten Variante ist die Trägerplatte aus einem Stahlblech gefertigt. Ebenso können sowohl die Trägerplatte als auch die Beschichtung aus einem Isolatormaterial bestehen. Die Beschichtung kann auch die Lochinnenflächen umfassen, womit gegebenenfalls eine erhöhte mechanische und thermische Stabilität erreicht werden kann.

Zur Aufbringung der Beschichtung eignet sich vorzugsweise ein Plasmaspritzverfahren, ein chemisches Beschichtungsverfahren oder ein thermisches Verdampfungsverfahren, da diese preiswert und relativ einfach realisierbar sind.

Das Lochblendenmuster kann mittels mechanischer Formgebung vorzugsweise Stanzen oder Laserschneiden gebildet werden, wobei vorzugsweise auch eine zusätzliche Behandlung mittels einem Ätzverfahren und/oder einem Elektro-Polierverfahren vorgesehen ist. Wenn die Enddimensionen des Lochblendenmusters durch ein isotropes oder anisotropes Verfahren bestimmt sind, lassen sich auf einfache Weise auch relativ großflächige Extraktionsgitter mit geeigneten Lochblendenmustern preiswert und präzise herstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform in der Erfindung ist ein kongruentes Lochblendenmuster vorgesehen, wodurch eine erhöhte mechanische und thermische Stabilität sowie eine hohe Homogenität des Plasmastrahls transversal zur Ausbreitungsrichtung erreicht werden kann. Die Erfindung umfasst verschiedene geometrische Ausbildungen des Lochblendenmusters, insbesondere mit einer planaren sowie auch einer nicht planaren Trägerplatte.

Die Extraktionselektrode kann nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf ein vorgegebenes Potential beziehungsweise ein Massepotential gelegt sein.

Weitere Ausbildungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind unabhängig von ihrer Zusammenfassung in Ansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus einer näheren Beschreibung anhand von Zeichnungen zu entnehmen.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine Plasmastrahlquelle mit einem homogenen Magnetfeld in x-Richtung
2 eine erfindungsgemäße Plasmastrahlquelle
3 eine erfindungsgemäße Plasmastrahlquelle mit einer Spiegelmagnet-Vorrichtung
4 eine Extraktionselektrode gemäß der Erfindung
5 ein Anpassungsnetz für eine Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle
6 eine Vakuumkammer mit einer erfindungsgemäßen Plasmastrahlquelle zum Bestrahlen einer Oberfläche mit einem divergenten Plasmastrahl.
In den folgenden Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch der Aufbau einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (Hf-Plasmastrahlquelle) zur Erzeugung eines Plasmastrahls dargestellt, die insbesondere nach dem ECWR-Prinzip betrieben werden kann. In einem Plasmaraum 6 befindet sich ein Plasma, welches durch die Einstrahlung einer Hochfrequenzstrahlung, beispielsweise von 13,56 Megahertz, erzeugt wird. Der Plasmaraum 6 ist in einem Gehäuse 4 angeordnet, welches eine Extraktionselektrode 5 im Bereich einer Austrittsöffnung aufweist. Gemäß der Erfindung ist die Extraktionselektrode 5 insbesondere für den Einsatz in Hf-Plasmastrahlquellen ausgebildet, kann jedoch auch bei anderen Plasmastrahlquellen eingesetzt werden. Durch ein optimales homogenes transversales Magnetfeld 2, hier durch parallele Feldlinien in x-Richtung dargestellt, werden eine Erhöhung der Plasmadichte und damit ein Betrieb der Plasmastrahlquelle bei relativ niedrigen Drücken ermöglicht. Zur Erzeugung des Magnetfelds 2 ist gegebenenfalls. eine Magneteinrichtung 1 vorgesehen. Üblicherweise wird die Magneteinrichtung 1 durch einen Spulensatz ausgebildet, kann aber auch durch Permanentmagnete gebildet werden. Das Gehäuse 4 ist topfartig mit einer Längsachse S ausgebildet. Der Plasmastrahl 3 tritt durch die vorzugsweise eine hohe Transmission aufweisende Extraktionselektrode 5 in Richtung der Längsachse S, die in diesem Fall parallel zu einer Quellnormalen liegt, aus dem Plasmaraum 6 aus, um damit eine in der 1 nicht dargestellte Oberfläche zu bestrahlen. Zur Extraktion eines üblicherweise neutralen Plasmastrahls kann die Plasmastrahlquelle beispielsweise in der aus der EP 349 556 B1 bekannten Weise betrieben werden.
In 2 sind schematisch wesentliche Elemente einer weiteren Ausbildungsform der Hf-Plasmastrahlquelle dargestellt. Es ist ein Magnetfeld 7, 8 vorgesehen, mit dem die Bildung eines konvergenten oder divergenten Plasmastrahls 3 erreicht werden kann. Zur Erzeugung des Magnetfeldes 7, 8 ist eine in 2 zur Vereinfachung nicht dargestellte Vorrichtung vorgesehen. Einzelheiten dieser Vorrichtung werden in den folgenden 3 und 4 gezeigt. Unter einem divergenten Plasmastrahl 3 soll ein Plasmastrahl verstanden werden, der zumindest in einer Richtung senkrecht zur Hauptstrahlrichtung noch merklich Teilchen abstrahlt. Ein divergenter Plasmastrahl kann eine Strahlcharakteristik aufweisen, die sich annäherungsweise durch eine Kosinus-Verteilung beschreiben lässt, wie detailliert in der Abhandlung von G. Deppisch: „Schichtdickengleichmäßigkeit von aufgedampften Schichten in Theorie und Praxis", Vakuumtechnik, 30. Jahrgang, Heft 3, 1981, ausgeführt wird. Die Vorrichtung in 2 weist eine planare Extraktionselektrode 5 und eine Quellennormale auf, die mit der Achse S des Plasmaraums 6 zusammenfällt.
Das in 2 dargestellte Magnetfeld 7, 8 hat im Plasmaraum 6 nur eine Komponente in Z-Richtung, senkrecht zum lateralen Magnetfeld 2. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Betrieb der Hf-Plasmastrahlquelle nach dem ECWR-Prinzip dieses nicht durch das überlagerte Magnetfeld 7, 8 in seiner Funktion gestört wird. Das Magnetfeld 7, 8 verläuft außerhalb des Plasmaraums 6, wie durch die gekrümmten Feldlinien 7 im Anschluss an die senkrechten Feldlinien 8 angedeutet ist. Außerhalb des Plasmaraums 6 nimmt die Magnetfeldstärke mit zunehmender Entfernung vom Plasmaraum 6 bzw. von der Extraktionselektrode 5 ab. Da geladene Teilchen des Plasmas durch das Magnetfeld im Plasmaraum 6 auf Kreisbahnen gezogen werden und so Wandverluste durch geladene Teilchen verringert werden, wird mit dem Magnetfeld 7, 8 der Wirkungsgrad der Hf-Plasmastrahlquelle verbessert. Vorzugsweise wird die Quelle nach dem ECWR-Prinzip betrieben, wobei quer zur Achse 5 in der x-y-Ebene ein transversales homogenes Magnetfeld 2 erzeugt wird. Zumindest in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das überlagerte Magnetfeld 7, 8 im Plasmaraum 6 homogen ausgebildet ist.
Die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes 7, 8 kann durch eine oder mehrere Magnetspulen oder Permanent-Magnete gebildet sein. Vorzugsweise ist die Vorrichtung außerhalb des Gehäuses 4 angeordnet.
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Hf-Plasmastrahlquelle dargestellt. Durch eine erste Ringspule 9 am oberen Rand des Gehäuses 4 bzw. des Plasmaraums 6 und eine zweite Ringspule 10 am unteren Rand des Gehäuses 4 bzw. des Plasmaraums 6 wird eine Spiegelmagnetvorrichtung gebildet, wobei die ein Magnetfeld erzeugenden Ströme in der oberen Ringspule 9 und in der unteren Ringspule 10 gegenläufig fließen.
In 4 ist eine kreisförmige erfindungsgemäße Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle, welche als Trägerplatte 5 mit einem Lochblendenmuster 5b ausgebildet ist, schematisch dargestellt. Es versteht sich, dass auch andere Formen, wie Rechtecke, Trapeze usw. für die Elektrode möglich sind. Die Trägerplatte 5 weist einen peripheren Bereich 5a auf, der frei von dem Lochblendenmuster 5b ist und der Befestigung dient. Der Bereich 5a kann Befestigungselemente, beispielsweise Öffnungen für Schrauben oder dergleichen, aufweisen.
Wie an sich bekannt ist, können zur Charakterisierung des Lochblendenmusters Lochblendenparameter wie Lochteilung und Lochweite herangezogen werden. Als Lochteilung t wird der Abstand der Mittelpunkte nächstliegender Löcher bezeichnet. Die Lochweite w bezeichnet den Durchmesser eines Loches. Zwischen den Löchern sind Stege angeordnet, so dass die Lochteilung gleich der Summe der Lochweite und der Stegbreite ist.
Das in 4 dargestellte Lochblendenmuster 5b weist kreisförmige Löcher auf, die in einer trigonalen Struktur, d.h. mit einer 60° Rotationssymmetrie, angeordnet sind. Es versteht sich, dass auch andere Konfigurationen von Lochblendenmustern von der Erfindung umfasst werden, insbesondere Lochblendenmuster mit geraden oder diagonal versetzten Reihen von Löchern. Ferner können die Löcher auch als Quadrat, Sechskant, Rauten, Dreieck, Sternloch oder Langloch ausgebildet sein.
Die Erfindung umfasst auch Lochblendenmuster mit stark asymmetrischen Lochformen, wie beispielsweise Reihen von schlitzartigen Öffnungen. In letzterem Fall ist vorzugsweise der lineare Abstand der Öffnungsbegrenzungen kleiner oder gleich der Dicke der Raumladungszone zwischen Plasma und Trägerplatte gewählt.
Bevorzugt wird ein Lochblendenmuster mit einer relativen freien Lochfläche zwischen 0,6 und 0,99 gewählt.
Als Aspektverhältnis der Extraktionselektrode wird das Verhältnis Lochweite zu Dicke der Trägerplatte bezeichnet. Zur Gewährleistung einer erhöhten thermischen und mechanischen Stabilität der Extraktionselektrode wird ein Aspektverhältnis von ≤ 0,1 bevorzugt. Im Hinblick auf eine verlängerte Lebensdauer der Extraktionselektrode hat es sich als günstig erwiesen, eine Trägerplatte mit einer Dicke von ≥ 0,1mm, vorzugsweise einer Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 1,5mm, einzusetzen, wobei Lochteilung und/oder Lochweite geringer oder gleich der Dicke der Raumladungszone zwischen der Trägerplatte und dem Plasma im Plasmaraum gewählt sind, worauf im Folgenden noch genauer eingegangen wird. Weitere bevorzugte Werte der Dicke der Trägerplatte liegen in einem Bereich von 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm, 5,0mm oder 8,0mm.
Zumindest bei einer Extraktionselektrode für eine Hf-Plasmastrahlquelle weist die Trägerplatte zumindest einen Kern oder eine Beschichtung aus einem leitfähigen Material auf. Optional kann zumindest eine Beschichtung oder Schicht aus einem Isolator vorgesehen sein, beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumoxid.
Die Trägerplatte der Extraktionselektrode gemäß der Erfindung besteht günstigerweise aus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein inertes Prozessgas, vorzugsweise Argon. Alternativ oder zusätzlich kann noch eine Beschichtung mit einem derartigen Material einseitig oder beidseitig vorgesehen sein. In einer Weiterbildung kann die Trägerplatte aus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein Reaktivgas, vorzugsweise Sauerstoff, bestehen und/oder einseitig oder beidseitig mit einer Beschichtung aus einem derartigen Material versehen sein. Es versteht sich, dass auch eine Trägerplatte von der Erfindung umfasst ist, die ein Material mit einem geringen Sputteryield sowohl für ein inertes Prozessgas als auch für ein Reaktivgas aufweist. Vorzugsweise ist als Material Wolfram, Molybdän oder Graphit vorgesehen.
Insbesondere bei Vorliegen einer Beschichtung kann die Trägerplatte aus einem preisgünstigen Stahlblech bestehen.
Die Beschichtung kann auch die Lochinnenflächen umfassen. Zur Herstellung der Beschichtung wird ein Plasmaspritzverfahren, ein chemisches Beschichtungsverfahren oder ein thermisches Verdampfungsverfahren eingesetzt.
Ein Lochblendenmuster mit einer Stegbreite von 0,1mm lässt sich durch Stanzen und Laserschneiden nur mit relativ hohem Aufwand herstellen. Vorzugsweise zum Erreichen von kleinen Stegbreiten wird daher vorgeschlagen, nach Bildung des Lochblendenmusters die Stegbreite durch chemische Ätzverfahren oder Elektropolieren noch weiter zu reduzieren. Es kann daher zunächst ein Lochblendenmuster mit einer Stegbreite von vorzugsweise mehr als 0,2mm gebildet werden, dessen Enddimensionen durch ein Ätzverfahren bestimmt werden. Beispielsweise können ein 1,15mm dickes Blech mit einer Stegbreite von 0,3mm auf ein Lochblendenmuster mit einer Stegbreite von 0,1mm reduziert werden, wobei das Blech auf 1,0mm abgeätzt wird, falls ein isotropes Ätzverhalten des Materials vorliegt. Es versteht sich, dass bei einem Material mit anisotropen Ätzverhalten entsprechende Variationen des angegebenen Beispiels ohne weiteres möglich sind.
Um mit der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle eine homogene Bestrahlung einer Oberfläche zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß eine gezielte Wechselwirkung des Plasmas mit der als Trägerplatte mit Lochblendenmuster ausgebildeten Extraktionselektrode vorgesehen. Vorzugsweise bei einer ebenen Oberfläche ist die Verwendung eines kongruenten Lochblendenmusters vorteilhaft. In diesem Fall ist es ebenfalls günstig, wenn die Trägerplatte planar ist. Bei gekrümmten Oberflächen hat sich gezeigt, dass mit einer nicht-planaren, vorzugsweise relativ zum Plasmaraum konvexen oder konkaven Trägerplatte besonders einfach eine Divergenz des Plasmastrahls bewirkbar ist.
Ein wesentlicher Parameter bei der Wechselwirkung zwischen Plasma und Extraktionselektrode ist die Dicke der Raumladungszone zwischen der Extraktionselektrode und dem Plasma.
Die Dicke d der Raumladungszone kann aus Textbüchern entnommen werden. Danach hängt die Dicke d von der Ionenstromdichte j und dem Spannungsabfall U zwischen dem Plasmarand und der Extraktionselektrode ab:
mit

ε₀:: Dielektrizitätskonstante des Vakuums
e:: Elementarladung
m_ion:: Masse der beteiligten Ionen
U:: Spannungsabfall zwischen dem Plasmarand und der Extraktionselektrode 5 (entspricht der Extraktionsspannung)

Zur Bestimmung von Lochblendenparametern der Extraktionselektrode wird von folgenden Überlegungen ausgegangen:
Für einen Ionenstrom von 1 A/m², der einen üblichen Wert für den Betrieb derartiger Beschichtungsanlagen darstellt, wurde bei einer Hf-Plasmastrahlquelle die Dicke d der Raumladungszone berechnet. Die Dicke d der Raumladungszone steigt mit zunehmendem Spannungsabfall an und variiert zwischen 0,5mm bis zu 2,5mm bei einem Spannungsabfall zwischen ca. 50 und ca. 370 Volt. Die Dicke d in einem bevorzugten Spannungsbereich zwischen 50 und 200 Volt ist deutlich kleiner als 2mm.
Betrachtet man die Abhängigkeit der Dicke d der Raumladungszone von der Ionenstromdichte bei fester Extraktionsspannung, z. B. bei 150 Volt, ergibt sich, dass die Dicke der Raumladungszone d bei fester Extraktionsspannung mit steigender Stromdichte fällt. In einem bevorzugten Bereich zwischen 4 A/m² und 25 A/m² ist die Dicke d der Raumladungszone geringer als 2mm.
Die Struktur des Lochblendenmusters der Extraktionselektrode beeinflusst die Form der Raumladungszone. Die Verformung nimmt zu, wenn Dicke der Raumladungszone und Lochteilung und/oder Lochweite in der gleichen Größenordnung liegen. Dies kann zur Erzeugung eines divergenten Plasmastrahls ausgenutzt werden. Sinnvollerweise sollten die Lochparameter jedoch klein genug sein, damit das Plasma nicht merklich durch die Austrittsöffnung entweicht.
Wird die Extraktionselektrode 5 nicht planar, sondern gekrümmt ausgebildet, so bildet sich eine gekrümmte Plasmarandschicht aus und es kann ein divergenter Plasmastrahl extrahiert werden. In diesem Fall können die Lochparameter der Extraktionselektrode 5 relativ klein, insbesondere geringer als die Dicke der Raumladungszone gewählt werden. Es sind sowohl konvexe als auch konkave Extraktionselektroden möglich.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Extraktionselektrode 5 über zumindest einem Teilbereich seiner Fläche hinsichtlich des Lochblendenmusters inhomogen ausgebildet sein, vorzugsweise, um damit eine lokale Änderung der optischen Transmission zu erreichen. Zweckmäßigerweise können damit lokale Variationen der Plasmastrahldichte senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls erzeugt werden, vorzugsweise um Randeffekte zu kompensieren. Beispielsweise kann ferner das Muster so variiert werden, so dass ein Kreisring gebildet wird, mit dem ein kreisringförmiger Plasmastrahl erzeugt werden kann. Die Inhomogenität kann ferner durch eine Variation von Lochweite und/oder Stegbreite realisiert werden. Mittels einer Änderung der lokalen optischen Transmission kann ferner die Divergenz des Plasmastrahls eingestellt werden. Ferner können zur Beeinflussung des Plasmastrahls außerhalb des Plasmaraums 6 eine oder mehrere Blenden vorgesehen sein. Ebenso kann die Austrittsöffnung in Teilbereichen mit Blenden abgedeckt sein und damit sonst inhomogen bestrahlte Bereiche einer Oberfläche ausgeblendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Plasmastrahlquelle mit einer planaren Extraktionselektrode zur Bestrahlung von auf einer Kalotte angeordneten Substraten verwendet werden, wobei in einem Raumbereich außerhalb des Plasmaraums zumindest eine Blende angeordnet ist. Diese Blende begrenzt den Plasmastrahl derart, dass die ansonsten inhomogen bestrahlten Bereiche auf der Kalotte von der Bestrahlung ausgenommen werden. Dies kann ebenso durch die Abdeckung von Teilbereichen der Austrittsöffnung erfolgen. Die Form der verwendeten Blenden wird vorzugsweise empirisch anhand der erreichten Bestrahlungsergebnisse bestimmt.
Für einen optimierten Betrieb der Hf-Plasmastrahlquelle ist ein Anpassungsnetzwerk vorgesehen, um den Innenwiderstand eines Hochfrequenz-Generators auf die Verbraucherimpedanz abzustimmen.
In 5 ist ein bevorzugtes Anpassungsnetzwerk gezeigt, das einen Hochfrequenz-Generator 15 für einen Primär- und Sekundärkreis an eine Hf-Plasmastrahlquelle ankoppelt, wie beispielsweise aus dem Artikel von J. P. Rayner et al: "Radio frequency matching for helicon plasma sources", J. Vac. Scl. Technol. A 14(4), Jul/Aug. 1996, bekannt ist. Dem Hochfrequenz-Generator 15 ist ein Kondensator 12 parallel geschaltet. Ferner ist zwischen einer Primärspule 14 und dem Hochfrequenz-Generator 15 ein einstellbarer Kondensator 13 angeordnet. Eine Sekundärspule 16 überträgt elektrische Leistung des Hochfrequenz-Generators 15 an eine Induktionsschleife 17, mit der eine induktive Anregung des Plasmas erfolgen kann. Parallel zur Sekundärspule 16 bzw. zum Kondensator 13 ist ein Kondensator 16a bzw. ein Kondensator 13a angeordnet. Ferner ist eine Energieelektrode 19 vorgesehen, die in direktem Kontakt mit dem Plasma steht oder optional über ein isolierendes Material, beispielsweise eine Quarz- oder Glasscheibe, kapazitiv an das Plasma im Plasmaraum 6 ankoppelt. Durch das Potential der Energieelektrode 19 lässt sich die Ionenenergie des Plasmastrahls einstellen. Vorzugsweise ist die Energieelektrode 19 Bestandteil einer Gasversorgung, beispielsweise einer Gasdusche, mit der ein flächig-homogenes Einströmen eines Gases in den Plasmaraum 6 ermöglicht wird. Die Energieelektrode ist über einen einstellbaren Kondensator 18 mit einem Abgriff an der Primärspule 14 verbunden. Bei der gezeigten Anordnung werden durch eine Versorgungseinheit (Hochfrequenz-Generator 15) die Induktionsschleife 17 und die Energie-Elektrode 19 mit elektrischer Energie versorgt. Alternativ können beispielsweise auch zwei separate Hochfrequenz-Generatoren und zwei Anpass-Netzwerke, und zwar jeweils eines für die Induktionsspule 17 und eines für die Energie-Elektrode 19, verwendet werden.
Bevorzugt wird die Anordnung gemäß 5 in Verbindung mit einer Vorrichtung und/oder einer Magneteinrichtung eingesetzt, wie sie im Zusammenhang mit den vorerwähnt beschriebenen Ausführungsbeispielen der Hf-Plasmastrahlquelle vorgesehen sind. Besonders bevorzugt ist der Einsatz bei einer nach dem ECWR-Prinzip betreibbaren oder betriebenen Hf-Plasmastrahlquelle.
Eine erfindungsgemäße Plasmastrahlquelle wird bevorzugt in eine Vakuumkammer 20 eingebaut und zum Bestrahlen einer gekrümmten Oberfläche K eingesetzt, wie in 6 gezeigt. Eine derartige Vakuumkammer 20 weist neben Kammerwänden 21 üblicherweise Vakuumpumpen, Gasversorgung und Analytik auf. Bei der in 6 dargestellten Vakuumkammer sind ferner auf der als Kalotte ausgebildeten Oberfläche K Substrate 22 angeordnet. Ein divergenter Plasmastrahl 3 der erfindungsgemäßen Hf-Plasmastrahlquelle ermöglicht eine homogene großflächige Bestrahlung der Oberfläche K bzw. der Substrate 22. Die Substrate 22 können beispielsweise auf Kreisringen angeordnet sein. Wie an sich bekannt, kann die in diesem Fall als Substrathalterung fungierende gekrümmte Oberfläche bewegbar, insbesondere drehbar ausgebildet sein. Wie in 6 kann die Plasmastrahlquelle 23 gegenüber der Symmetrieachse der Kalotte versetzt sein. Jedoch kann bei alternativen Ausführungsformen auch eine zentrale Anordnung der Plasmastrahlquelle vorgesehen sein.

Claims

Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle, vorzugsweise einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle, zur Extraktion eines Plasmastrahls aus einem Plasmaraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode als Trägerplatte mit einem Lochblendenmuster ausgebildet ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lochteilung, Lochweite und/oder typische lineare Dimension des Lochblendenmusters geringer oder gleich der Dicke der Raumladungszone zwischen der Trägerplatte und dem Plasma im Plasmaraum ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode ein Aspektverhältnis ≤ 0,1 aufweist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochweite oder typische lineare Dimension des Lochblendenmusters in einem Bereich von 0,1mm bis 10mm, bevorzugt 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm, 5,0mm oder 8,0mm vorgesehen ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte eine Dicke von ≥ 0,1mm bis 10mm, bevorzugt 0,2mm, 0,5mm, 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm, 5,0mm oder 8,0mm aufweist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte aus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein inertes Prozessgas, vorzugsweise Argon, besteht.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte einseitig oder beidseitig mit einer Beschichtung aus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein inertes Prozessgas, vorzugsweise Argon, versehen ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte aus einem Material mit einem geringen Sputteryield für ein Reaktivgas, vorzugsweise Sauerstoff, besteht und/oder einseitig oder beidseitig mit einer Beschichtung aus einem derartigen Material versehen ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Material Wolfram, Molybdän oder Grafit vorgesehen ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auch die Lochinnenflächen umfasst.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels eines Plasmaspritzverfahrens, einem chemischen Beschichtungsverfahren oder einem thermischen Verdampfungsverfahren aufgebracht ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte eine Isolatorschicht umfasst und/oder die Beschichtung aus einem Isolatormaterial besteht.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte einen Kern oder eine Beschichtung aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise Stahl, aufweist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblendenmuster mittels mechanischer Formgebung, vorzugsweise Stanzen oder Laserschneiden, gebildet ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblendenmuster zusätzlich mittels einem Ätzverfahren und/oder einem Elektropolierverfahren gebildet ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Enddimensionen des Lochblendenmusters durch ein isotropes oder anisotropes Ätzverfahren bestimmt sind.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein kongruentes Lochblendenmuster, vorzugsweise mit einem peripher angeordneten Befestigungsbereich, vorgesehen ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein inhomogenes Lochblendenmuster vorgesehen ist.
Extraktionselektrode für eine Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht-planare, vorzugsweise eine relativ zum Plasmaraum konvexe oder konkave Trägerplatte vorgesehen ist.
Plasmastrahlquelle, vorzugsweise einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle, mit einem Plasmaraum und elektrischen Mitteln zum Zünden und Erhalt eines Plasmas sowie einer Austrittsöffnung mit einer Extraktionselektrode zur Extraktion eines Plasmastrahls aus einem Plasmaraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildet ist.
Plasmastrahlquelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Lochblendenmusters eine Divergenz oder Konvergenz des Plasmastrahls bewirkbar ist.
Plasmastrahlquelle nach Anspruch 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Divergenz oder Konvergenz des Plasmastrahls durch eine lokale Änderung der optischen Transmission bewirkbar ist.
Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Lochblendenmusters auf einer zugeordneten zu bestrahlenden Oberfläche eine vorgegebene Plasmastrahldichte einstellbar ist.
Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode auf ein vorgegebenes Potential, vorzugsweise Massepotential, gelegt ist.
Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorgesehen ist, mit dem eine Konvergenz oder Divergenz des Plasmastrahls bewirkbar ist.
Vakuumkammer mit einem Gehäuse, einer Plasmastrahlquelle und einer zu bestrahlenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 24 ausgebildet ist.
Verfahren zum Bestrahlen einer Oberfläche mit einem Plasmastrahl einer Plasmastrahlquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlquelle nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 25 ausgebildet ist.