DE102020115056A1

DE102020115056A1 - Measuring probe for measuring parameters characteristic of a plasma

Info

Publication number: DE102020115056A1
Application number: DE102020115056.3A
Authority: DE
Inventors: Thorben Brenner; Klaus Vissing
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2021-12-09
Also published as: WO2021245289A1; EP4162517A1

Abstract

Erfindungsgemäß ist eine Messsonde (100) zum Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen vorgesehen, wobei die Messsonde einen Sondenkörper (110) mit einem Sondenkopf (120) aufweist, wobei sich der Sondenkörper entlang einer Längsachse der Messsonde erstreckt und angepasst ist, zum Messen der für ein Plasma charakteristischen Größen mit dem Sondenkopf in das Plasma eingeführt zu werden. Die Messsonde weist ferner eine Messelektrode (101) auf, die am Sondenkopf angeordnet ist, wobei der Sondenkörper eine elektrische Verbindung (102) zwischen der Messelektrode und einem dem Sondenkopf entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde bereitstellt. Zudem weist die Messsonde eine dielektrische Kappe (103) auf, die sich über die Messelektrode erstreckt und ausgebildet ist, die Messelektrode von dem Plasma abzuschließen. Dabei ist die Messsonde eingerichtet, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt.According to the invention, a measuring probe (100) is provided for measuring parameters characteristic of a plasma, the measuring probe having a probe body (110) with a probe head (120), the probe body extending along a longitudinal axis of the measuring probe and being adapted to measure the quantities characteristic of a plasma to be introduced into the plasma with the probe head. The measuring probe furthermore has a measuring electrode (101) which is arranged on the probe head, the probe body providing an electrical connection (102) between the measuring electrode and a part of the measuring probe opposite the probe head along the longitudinal axis. In addition, the measuring probe has a dielectric cap (103) which extends over the measuring electrode and is designed to isolate the measuring electrode from the plasma. The measuring probe is set up to generate an opposing electrical field that displaces negative charge carriers from the probe head.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messsonde und ein Messverfahren zum Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen wie beispielsweise von Ladungsträgerdichten, zeitlich variierenden Potentialen und Ladungsträgerenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktionen. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Messsystem, das die Messsonde umfasst, auf eine Plasmabeschichtungsvorrichtung, die das Messsystem umfasst, und auf ein entsprechendes Plasmabeschichtungsverfahren. Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Kappe zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Messsonde und auf ein Verwenden der Kappe mit der Messsonde.The invention relates to a measuring probe and a measuring method for measuring quantities characteristic of a plasma, such as charge carrier densities, time-varying potentials and charge carrier energy probability functions. The invention also relates to a measuring system that includes the measuring probe, to a plasma coating device that includes the measuring system, and to a corresponding plasma coating method. In addition, the invention relates to a cap for use with the measuring probe according to the invention and to using the cap with the measuring probe.

Plasmasensorik ist ein Gebiet, auf dem sehr unterschiedliche Ansätze verfolgt werden, um die Eigenschaften eines Plasmas zu ermitteln. Bekannte Messverfahren lassen sich beispielsweise in direkte und indirekte Verfahren gliedern, wobei „direkt“ im Sinne einer materiellen Wechselwirkung des Messmittels mit dem Plasma verstanden wird, während „indirekt“ im Sinne einer immateriellen Wechselwirkung des Messmittels mit dem Plasma verstanden wird. Zu den direkten Verfahren können die elektrischen Verfahren gezählt werden, bei denen die materielle Wechselwirkung in einem Stromfluss zwischen Plasma und Messmittel besteht. Zu den indirekten Verfahren können Verfahren gezählt werden, bei denen die immaterielle Wechselwirkung elektromagnetischer Natur ist.Plasma sensor technology is an area in which very different approaches are pursued in order to determine the properties of a plasma. Known measuring methods can be broken down into direct and indirect methods, for example, where “direct” is understood to mean a material interaction of the measuring device with the plasma, while “indirect” is understood to mean an immaterial interaction of the measuring device with the plasma. The electrical processes, in which the material interaction consists in a current flow between plasma and measuring equipment, can be counted as direct processes. Processes in which the immaterial interaction is of an electromagnetic nature can be counted among the indirect processes.

Zu den für ein Plasma charakteristischen Größen zählen beispielsweise die Elektronendichte (auch als Plasmadichte bekannt), die Elektronentemperatur, die Elektronenenergieverteilung, die Ionendichte, die Ionentemperatur und die Ionenenergieverteilung. Im Rahmen von Plasmaprozessen, wie beispielsweise einer plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD), können die genannten Größen als innere Parameter verstanden werden, während Größen wie ein Gasstrom, ein herrschender Druck oder eine anliegende Hochfrequenzleistung und deren Frequenz äußere Parameter darstellen.The quantities characteristic of a plasma include, for example, the electron density (also known as plasma density), the electron temperature, the electron energy distribution, the ion density, the ion temperature and the ion energy distribution. In the context of plasma processes, such as plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD), the variables mentioned can be understood as internal parameters, while variables such as a gas flow, a prevailing pressure or an applied high-frequency power and its frequency represent external parameters.

Weitere sehr wichtige Größen stellen charakteristische elektrische Potentiale dar. Je nach Prozess kann sowohl das sogenannte Floating-Potential als auch das Plasmapotential von Relevanz sein. In der Prozesstechnik wird der Wert des Plasmapotentials beziehungsweise Floating-Potentials zumeist vernachlässigt, insbesondere wenn es sich um Plasmaprozesse mit einem hohen (Self-)Bias, also mit einem hohen Gleichspannungsanteil beziehungsweise konstanten elektrischen Feldanteil, handelt. Jedoch kann das Plasmapotential, beispielsweise abhängig von dem Elektrodenaufbau, durchaus eine relevante Größenordnung in Bezug auf den Bias annehmen und sollte daher nach Möglichkeit zur Steuerung von Plasmaprozessen bestimmt werden.Other very important quantities are characteristic electrical potentials. Depending on the process, both the so-called floating potential and the plasma potential can be of relevance. In process technology, the value of the plasma potential or floating potential is mostly neglected, especially when it comes to plasma processes with a high (self) bias, i.e. with a high DC voltage component or a constant electrical field component. However, depending on the electrode structure, for example, the plasma potential can definitely assume a relevant order of magnitude with regard to the bias and should therefore be determined, if possible, to control plasma processes.

Gemäß einem klassischen, weit verbreiteten elektrischen Messverfahren zur Charakterisierung insbesondere von Niederdruckplasmen wird eine sogenannte Langmuirsonde in ein Plasma eingeführt, um Plasmaparameter aus dem Verlauf einer Strom-Spannungs-Charakteristik zu extrahieren. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit kann die Strom-Spannungs-Charakteristik aufgenommen werden, während mittels einer Kompensationselektrode der Langmuirsonde ein elektrisches Feld erzeugt wird, das den Einfluss eines das Plasma erzeugenden bzw. erhaltenden äußeren Hochfrequenzfeldes auf den zu messenden Strom ausgleicht. Aus der Strom-Spannungs-Charakteristik können die Elektronendichte, die Elektronentemperatur, die Elektronenenergieverteilung, das Floating-Potential, das Plasmapotential, die Ionendichte und der Ionenfluss extrahiert werden, wofür verschiedene Analysemethoden bekannt sind. Die Aufnahme einer Strom-Spannungs-Charakteristik erfordert allerdings, dass Langmuirsonden eine elektrisch leitende Oberfläche aufweisen. In beschichtenden Plasmen, wie sie beispielsweise in PECVD-Verfahren eingesetzt werden, würde sich die Leitfähigkeit der Oberfläche einer Langmuirsonde mit der Zeit verändern, für isolierende Beschichtungsmaterialen insbesondere rapide bis auf null abnehmen. Dies schließt einen sinnvollen Einsatz von Langmuirsonden zur Messung von Plasmaparametern in beschichtenden Plasmen aus.According to a classic, widespread electrical measurement method for characterizing low-pressure plasmas in particular, a so-called Langmuir probe is inserted into a plasma in order to extract plasma parameters from the course of a current-voltage characteristic. To increase the measurement accuracy, the current-voltage characteristic can be recorded while a compensation electrode of the Langmuir probe is used to generate an electric field that compensates for the influence of an external high-frequency field that generates or maintains the plasma on the current to be measured. The electron density, the electron temperature, the electron energy distribution, the floating potential, the plasma potential, the ion density and the ion flow can be extracted from the current-voltage characteristic, for which various analysis methods are known. The recording of a current-voltage characteristic, however, requires that Langmuir probes have an electrically conductive surface. In coating plasmas, such as those used in PECVD processes, the conductivity of the surface of a Langmuir probe would change over time, and for insulating coating materials, in particular, would decrease rapidly to zero. This excludes the sensible use of Langmuir probes for measuring plasma parameters in coating plasmas.

Ein bekanntes elektrisches Verfahren zur Messung der Ionenenergieverteilung nutzt einen Retarding-Field-Analyzer. Einfache Retarding-Field-Analyzer weisen drei Gitter und eine Platte auf, wobei an einem der Gitter verschiedene positive Spannungen angelegt werden, die einen spannungsabhängigen Strom erzeugen, der an der als Collector bezeichneten Platte gemessen wird. Die übrigen zwei Gitter können mit negativen Spannungen beaufschlagt werden, um Elektronen aus der Messung auszuschließen, so dass der gemessene Strom als Ionenstrom bezeichnet werden kann. Aus der Abhängigkeit des Ionenstroms von der Spannung wird auf die Ionenenergieverteilung geschlossen. Das Messprinzip eines Retarding-Field-Analyzers ist also ähnlich wie das der Langmuirsonde, wobei ein Ionenstrom und kein Elektronenstrom gemessen wird. Insbesondere ist auch das Messprinzip eines Retarding-Field-Analyzers kein plasmaabsorptionsspektroskopisches. Ähnlich wie Langmuirsonden eignen sich daher auch Retarding-Field-Analyzer nicht für den Einsatz unter beschichtenden Plasmabedingungen. Zudem kann mittels eines Retarding-Field-Analyzers zwar der Ionenfluss zum Collector energieselektiv gemessen werden. Die Ionendichte selbst kann mittels eines Retarding-Field-Analyzers allerdings nicht gemessen werden.One known electrical method for measuring ion energy distribution uses a retarding field analyzer. Simple retarding field analyzers have three grids and a plate, with various positive voltages being applied to one of the grids, which generate a voltage-dependent current that is measured on the plate called the collector. The remaining two grids can be subjected to negative voltages in order to exclude electrons from the measurement, so that the measured current can be referred to as ion current. The ion energy distribution is deduced from the dependence of the ion current on the voltage. The measuring principle of a retarding field analyzer is similar to that of the Langmuir probe, with an ion current and not an electron current being measured. In particular, the measuring principle of a retarding field analyzer is also not based on plasma absorption spectroscopy. Similar to Langmuir probes, retarding field analyzers are therefore not suitable for use under coating plasma conditions. In addition, the ion flow to the collector can be measured in an energy-selective manner using a retarding field analyzer. However, the ion density itself cannot be measured using a retarding field analyzer.

Informationen über die Ionen eines Plasmas können beispielsweise mittels energieselektiver Massenspektrometrie erlangt werden, die neben Messungen mittels einer Langmuirsonde und eines Retarding-Field-Analyzers ebenso zu den direkten Messverfahren gezählt werden könnte. Bei der energieselektiven Massenspektrometrie muss das Massenspektrometer möglichst nah am Plasma platziert werden. Dazu wird typischerweise ein Loch in einer Elektrode genutzt, welches direkt als Eintrittspupille in das Massenspektrometer dient. Mittels energieselektiver Massenspektrometrie kann die Ionenenergieverteilung für individuelle, anhand ihrer Masse identifizierbare Ionensorten bestimmt werden. Allerdings erfordert sie einen erheblichen apparativen Aufwand sowie eine entsprechend gestaltete Elektrode und lässt sich damit nur schwer in bereits bestehende Anlagen integrieren. Zudem kann, ähnlich wie mittels des Retarding-Field-Analyzers, lediglich ein Ionenfluss durch die Eintrittspupille gemessen werden, aber keine Ionendichte.Information about the ions of a plasma can be obtained, for example, by means of energy-selective mass spectrometry, which, in addition to measurements using a Langmuir probe and a retarding field analyzer, could also be counted among the direct measurement methods. With energy-selective mass spectrometry, the mass spectrometer must be placed as close as possible to the plasma. For this purpose, a hole in an electrode is typically used, which serves directly as the entrance pupil into the mass spectrometer. By means of energy-selective mass spectrometry, the ion energy distribution can be determined for individual ion types that can be identified on the basis of their mass. However, it requires a considerable outlay in terms of equipment and a correspondingly designed electrode and is therefore difficult to integrate into existing systems. In addition, as with the retarding field analyzer, only an ion flow through the entrance pupil can be measured, but no ion density.

Optische Messverfahren, wie etwa die optische Emissionsspektroskopie (OES) oder die optische Absorptionsspektroskopie (OAS), die zu den indirekten Messverfahren gezählt werden könnten, lassen sich grundsätzlich auch für schichtbildende Plasmen verwenden. Sie sind nicht auf einen Kontakt einer Sonde mit dem Plasma angewiesen. Stattdessen wird das Plasma typischerweise durch ein Fenster in einem das Plasma enthaltenen Behälter optisch vermessen. Problematisch bei dem Einsatz optischer Messverfahren für beschichtende Plasmen ist, dass sich auch auf einem solchen Fenster mit der Zeit eine entsprechende Beschichtung ausbilden kann. Die Beschichtung kann die optischen Messergebnisse, wie beispielsweise ein aufgenommenes Emissionsspektrum oder Absorptionsspektrum, verfälschen. Eine ausreichende Sensitivität optischer Messverfahren wird daher üblicherweise nur unter erheblichem technischen Aufwand erreicht. Im Falle der optischen Absorptionsspektroskopie müssen beispielsweise geeignete Maßnahmen getroffen werden, um einen möglichst langen Wechselwirkungsweg zwischen Plasmaphase und eingestrahltem Licht zu ermöglichen. Optische Messverfahren sind daher insbesondere weniger geeignet für komplexe, das heißt staubige Plasmen, wie sie beispielsweise beim Einsatz molekularer Präkursoren, d.h. Beschichtungsmaterialien, entstehen. Ein Grund hierfür ist auch, dass viele Präkursoren, wie z.B. Hexamethyldisiloxan (HMDSO), nur wenige und auch nur sehr intensitätsschwache Signale für die Si-haltigen Spezies liefern, welche jedoch primär zur Schichtbildung beitragen. Insofern ist die Aussagekraft optischer Messverfahren für schichtbildende Prozesse deutlich eingeschränkt. Aber auch für nichtbeschichtende Plasmen lässt sich die Plasmadichte mittels optischer Messverfahren üblicherweise nur schwer bestimmen, da sich die optischen Messgrößen, wie beispielsweise ein aufgenommenes Emissionsspektrum, nur selten direkt der Plasmadichte zuordnen lassen. Zu den seltenen Fällen, in denen ein Zusammenhang zwischen den Emissionslinien und der Plasmadichte bekannt ist, gehören beispielsweise die nichtbeschichtenden Gase Argon und Sauerstoff.Optical measuring methods, such as optical emission spectroscopy (OES) or optical absorption spectroscopy (OAS), which could be counted among the indirect measuring methods, can in principle also be used for layer-forming plasmas. You do not need a probe to come into contact with the plasma. Instead, the plasma is typically optically measured through a window in a container containing the plasma. The problem with the use of optical measuring methods for coating plasmas is that a corresponding coating can develop over time on such a window. The coating can falsify the optical measurement results, such as a recorded emission spectrum or absorption spectrum. Sufficient sensitivity of optical measurement methods is therefore usually only achieved with considerable technical effort. In the case of optical absorption spectroscopy, for example, suitable measures must be taken to enable the longest possible interaction path between the plasma phase and the radiated light. Optical measuring methods are therefore particularly less suitable for complex, i.e. dusty plasmas, such as those that arise when using molecular precursors, i.e. coating materials. One reason for this is that many precursors, such as hexamethyldisiloxane (HMDSO), only provide a few and only very weak signals for the Si-containing species, which, however, primarily contribute to layer formation. In this respect, the informative value of optical measurement methods for layer-forming processes is clearly limited. However, even for non-coating plasmas, the plasma density can usually only be determined with difficulty by means of optical measuring methods, since the optical measured variables, such as a recorded emission spectrum, can only rarely be assigned directly to the plasma density. The non-coating gases argon and oxygen are among the rare cases in which a connection between emission lines and plasma density is known.

Plasmaabsorptionssonden (PAP), auch bekannt als Oberflächenwellensonden (SWP), können zum Messen der Elektronendichte in einem Plasma eingesetzt werden. Sie nutzen die Eigenschaft des Plasmas aus, dass es freie Ladungsträger und eine Plasmafrequenz gibt. Hierdurch ist eine scharfe Absorption einer elektromagnetischen Welle möglich. Dazu weisen Plasmaabsorptionssonden am Sondenkopf beispielsweise eine Kavität auf, in der durch eine Antenne eine elektromagnetische Welle angeregt wird. Aus der gemessenen Absorptionsfrequenz des Systems aus Sonde und Plasma kann die Elektronendichte bestimmt werden.Plasma absorption probes (PAP), also known as surface wave probes (SWP), can be used to measure the density of electrons in a plasma. They use the property of the plasma that there are free charge carriers and a plasma frequency. This enables sharp absorption of an electromagnetic wave. For this purpose, plasma absorption probes have a cavity on the probe head, for example, in which an electromagnetic wave is excited by an antenna. The electron density can be determined from the measured absorption frequency of the system consisting of probe and plasma.

In den Patentschriften DE 10 2006 014 106 B3 und DE 10 2010 055 799 B3 wird eine Multipolresonanzsonde ohne Kavität am Sondenkopf beschrieben, die elektrisch symmetrisch aufgebaut ist. Die beschriebene Multipolresonanzsonde kann insbesondere ein Dipolstrahler sein. Mittels der Multipolresonanzsonde kann ein Absorptionsspektrum aufgenommen werden, das über eine Multipolentwicklung analytisch in Abhängigkeit von der Form und des Materials der Sonde bestimmbar ist. Die beschriebene Multipolresonanzsonde wird verwendet, um die Elektronendichte, eine Stoßfrequenz und eine daraus abgeleitete Elektronentemperatur zu ermitteln. Sie kann als eine Weiterentwicklung der in den Patentschriften US 6,339,297 B1 und US 6,744,211 B2 offenbarten Messsonden verstanden werden, in denen ansonsten ein grundsätzlich ähnliches Messprinzip beschrieben wird. Zwar ist die Elektronendichte, die gemäß den genannten Patentschriften gemessen wird, eine für ein Plasma fundamentale Größe und von entsprechend großer Relevanz für eine Vielzahl von Plasmaprozessen, allerdings wäre es in der Praxis wünschenswert, noch weitere das Plasma charakterisierende Größen, wie beispielsweise die Elektronenenergieverteilung, zu bestimmen.In the patents DE 10 2006 014 106 B3 and DE 10 2010 055 799 B3 describes a multipole resonance probe without a cavity on the probe head, which is electrically symmetrical. The described multipole resonance probe can in particular be a dipole radiator. The multipole resonance probe can be used to record an absorption spectrum that can be determined analytically via a multipole expansion as a function of the shape and material of the probe. The described multipole resonance probe is used to determine the electron density, a collision frequency and an electron temperature derived therefrom. It can be considered a further development of the patent specifications US 6,339,297 B1 and US 6,744,211 B2 disclosed measuring probes are understood, in which a fundamentally similar measuring principle is otherwise described. The electron density, which is measured in accordance with the patent specifications mentioned, is a fundamental parameter for a plasma and of correspondingly great relevance for a large number of plasma processes, but in practice it would be desirable to include other parameters that characterize the plasma, such as the electron energy distribution, to determine.

In der wissenschaftlichen Literatur sind zudem einige kapazitive Messsonden beschrieben, die auf dem Prinzip der kapazitiven Spannungsteilung beruhen. Messungen mittels kapazitiver Messsonden können zu den indirekten Messverfahren gezählt werden. Mittels kapazitiver Messsonden wird über einen in einem Dielektrikum untergebrachten Leiter kapazitiv und zeitaufgelöst ein Potentialverlauf gemessen. Dabei wird das Plasma zuvor nicht angeregt, so dass sich die Messung als „passiv“ bezeichnen lässt. Die Geometrie der verwendeten Leiter kann stark variieren. In der Literatur finden sich sowohl großflächige, planare Sonden als auch Leiterschleifen und einfache zylindrische Drähte. Bei Kenntnis aller Impedanzen der Messsonde, die in ihrer dreidimensionalen Struktur als kapazitiver Spannungsteiler verstanden wird, kann basierend auf dem zeitaufgelöst gemessenen Potential der zeitliche Potentialverlauf im Plasma berechnet werden. Mit den in der Literatur beschriebenen kapazitiven Sonden ist allerdings typischerweise und je nach Bauart nur entweder das Plasmapotential oder das Floating-Potential, aber nicht beide, zugänglich.In addition, some capacitive measuring probes based on the principle of capacitive voltage division are described in the scientific literature. Measurements using capacitive measuring probes can be counted among the indirect measuring methods. By means of capacitive measuring probes, a potential curve is measured capacitively and time-resolved over a conductor housed in a dielectric. The plasma is not excited beforehand, so that the measurement can be described as "passive". The geometry of the conductors used can vary widely. Both large-area, planar probes as well as conductor loops and simple cylindrical wires. If all the impedances of the measuring probe, which is understood as a capacitive voltage divider in its three-dimensional structure, are known, the potential profile over time in the plasma can be calculated based on the potential measured in a time-resolved manner. With the capacitive probes described in the literature, however, typically, depending on the design, only either the plasma potential or the floating potential, but not both, is accessible.

Bisher ist also keine Messsonde bekannt, mit der mehrere für ein Plasma charakteristische Größen während eines Plasmabeschichtungsprozesses gemessen werden könnten.So far, no measuring probe has been known with which several parameters characteristic of a plasma could be measured during a plasma coating process.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Messsonde bereitzustellen, die es erlaubt, während eines Plasmabeschichtungsprozesses mehrere für ein Plasma charakteristische Größen zu messen. Es ist zudem eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Messsystem und -verfahren und eine Kappe zur Verwendung mit der Messsonde bereitzustellen. Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Plasmabeschichtungssystem, das das Messsystem umfasst, und ein entsprechendes Plasmabeschichtungsverfahren bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide a measuring probe which allows several quantities characteristic of a plasma to be measured during a plasma coating process. It is also an object of the invention to provide a corresponding measuring system and method and a cap for use with the measuring probe. In addition, it is an object of the present invention to provide a plasma coating system, which comprises the measuring system, and a corresponding plasma coating method.

Diese Aufgaben werden durch eine Messsonde, ein Messsystem und -verfahren, eine dielektrische Kappe zur Verwendung mit der Messsonde sowie ein Plasmabeschichtungssystem und -verfahren gemäß den nachfolgend beschriebenen Aspekten gelöst.These objects are achieved by a measuring probe, a measuring system and method, a dielectric cap for use with the measuring probe, and a plasma coating system and method in accordance with the aspects described below.

Erfindungsgemäß ist eine Messsonde zum Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen vorgesehen, wobei die Messsonde einen Sondenkörper mit einem Sondenkopf aufweist, wobei sich der Sondenkörper entlang einer Längsachse der Messsonde erstreckt und angepasst ist, zum Messen der für ein Plasma charakteristischen Größen mit dem Sondenkopf in das Plasma eingeführt zu werden. Die Messsonde weist ferner eine Messelektrode auf, die am Sondenkopf angeordnet ist, wobei der Sondenkörper eine elektrische Verbindung zwischen der Messelektrode und einem dem Sondenkopf entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde bereitstellt. Zudem weist die Messsonde eine dielektrische Kappe auf, die sich über die Messelektrode erstreckt und ausgebildet ist, die Messelektrode von dem Plasma abzuschließen. Dabei ist die Messsonde eingerichtet, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt. Die Messsonde ist also so eingerichtet, dass sie ein elektrisches Gegenfeld erzeugen kann, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt.According to the invention, a measuring probe is provided for measuring quantities characteristic of a plasma, the measuring probe having a probe body with a probe head, the probe body extending along a longitudinal axis of the measuring probe and being adapted to measure the quantities characteristic of a plasma with the probe head in FIG the plasma to be introduced. The measuring probe furthermore has a measuring electrode which is arranged on the probe head, the probe body providing an electrical connection between the measuring electrode and a part of the measuring probe opposite the probe head along the longitudinal axis. In addition, the measuring probe has a dielectric cap which extends over the measuring electrode and is designed to isolate the measuring electrode from the plasma. The measuring probe is set up to generate an opposing electrical field that displaces negative charge carriers from the probe head. The measuring probe is set up in such a way that it can generate an opposing electrical field that displaces negative charge carriers from the probe head.

Dadurch, dass die Messsonde eingerichtet ist, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt, kann kontrolliert Einfluss auf das Plasma im Nahbereich der Messsonde genommen werden, der eine weitergehende Informationsgewinnung über das Plasma ermöglicht. Insbesondere können bei Verwendung des Gegenfeldes auf positiven Ionen basierende Größen, wie beispielsweise die Ionendichte, bestimmt werden. Wenn dagegen das Gegenfeld nicht verwendet wird, kann mit derselben Messsonde beispielsweise die Elektronendichte bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Messsonde erlaubt daher schon aus diesem Grunde eine Messung mehrerer für das Plasma charakteristischer Größen, insbesondere unter schichtbildenden Plasmabedingungen.Because the measuring probe is set up to generate an opposing electrical field that displaces negative charge carriers from the probe head, the plasma in the vicinity of the measuring probe can be influenced in a controlled manner, which enables further information to be obtained about the plasma. In particular, when using the opposing field, variables based on positive ions, such as the ion density, can be determined. If, on the other hand, the opposing field is not used, the electron density, for example, can be determined with the same measuring probe. For this reason alone, the measuring probe according to the invention allows a measurement of several parameters characteristic of the plasma, in particular under layer-forming plasma conditions.

Die Messsonde kann zudem verwendet werden, um mittels der Messelektrode passive Messungen vorzunehmen, wobei sich das Wort „passiv“ hier darauf bezieht, dass keine Spannung an der Messelektrode angelegt wird. Es ist mit derselben Messsonde aber auch möglich, aktive Messungen vorzunehmen, wobei hierbei eine Spannung an der Messelektrode angelegt wird. Da das passive und das aktive Messprinzip verschiedene Messgrößen zugänglich machen, ermöglicht die erfindungsgemäße Messsonde auch aus diesem Grunde ein Messen von mehreren für das Plasma charakteristischen Größen, insbesondere unter schichtbildenden Plasmabedingungen. Die passive Messung könnte auch als kapazitive Messung und die aktive Messung auch als absorptionsspektroskopische Messung bezeichnet werden, wobei die Messsonde sowohl kapazitive als auch absorptionsspektroskopischen Messungen ermöglichen und auf diese Weise verschiedene für das Plasma charakteristische Größen zugänglich machen kann. Da die erfindungsgemäße Messsonde sowohl kapazitive als auch absorptionsspektroskopischen Messungen ermöglichen kann, könnte sie auch als PACP bezeichnet werden, wobei PACP für „plasma absorption and capacitive probe“ steht.The measuring probe can also be used to take passive measurements by means of the measuring electrode, the word “passive” here referring to the fact that no voltage is applied to the measuring electrode. However, it is also possible to carry out active measurements with the same measuring probe, in which case a voltage is applied to the measuring electrode. Since the passive and the active measuring principle make different measured variables accessible, the measuring probe according to the invention enables several variables characteristic of the plasma to be measured, in particular under layer-forming plasma conditions, for this reason as well. The passive measurement could also be referred to as a capacitive measurement and the active measurement as an absorption spectroscopic measurement, the measuring probe enabling both capacitive and absorption spectroscopic measurements and in this way being able to make various quantities characteristic of the plasma accessible. Since the measuring probe according to the invention can enable both capacitive and absorption spectroscopic measurements, it could also be referred to as PACP, where PACP stands for “plasma absorption and capacitive probe”.

Dadurch, dass mit ein und derselben Messsonde mehrere für das Plasma charakteristische Größen gemessen werden können, kann es beispielsweise vermieden werden, die Messsonde zur Messung einer weiteren Größe gegen eine andere Messsonde austauschen zu müssen. Ein solches Auswechseln wäre mit Aufwand verbunden und bärge die Gefahr, dass die andere Messsonde nicht dieselbe Messposition wie die ursprüngliche Messsonde einnähme, was die Vergleichbarkeit der Messungen negativ beeinflussen würde.The fact that several quantities characteristic of the plasma can be measured with one and the same measuring probe makes it possible, for example, to avoid having to exchange the measuring probe for a different measuring probe in order to measure a further quantity. Such a replacement would be costly and would involve the risk that the other measuring probe would not assume the same measuring position as the original measuring probe, which would negatively affect the comparability of the measurements.

Während die erfindungsgemäße Messsonde ein Messen von mehreren für ein Plasma charakteristischen Größen unter schichtbildenden Plasmabedingungen ermöglicht, ermöglich sie das Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen selbstverständlich auch unter nicht schichtbildenden Plasmabedingungen. Insbesondere macht sie sich zum Messen unter nicht schichtbildenden Plasmabedingungen die gleichen Messprinzipien zunutze wie unter schichtbildenden Plasmabedingungen.While the measuring probe according to the invention enables several quantities characteristic of a plasma to be measured under layer-forming plasma conditions, it enables measurement of quantities characteristic of a plasma, of course, also under non-layer-forming plasma conditions. In particular, it makes use of the same measuring principles for measuring under non-layer-forming plasma conditions as under layer-forming plasma conditions.

Die Eignung der Messsonde zum Messen unter schichtbildenden Plasmabedingung ist vorzugsweise als eine langfristige Eignung zu verstehen, was beispielsweise heißen kann, dass die Messgenauigkeit auch über lange Messzeiträume unter schichtbildenden Plasmabedingungen im Wesentlichen konstant bleiben kann. Insbesondere kann die Messsonde eingerichtet und damit auch geeignet sein, in Niederdruckplasmen verwendet zu werden. Niederdruckplasmen werden für eine Vielzahl von Beschichtungsaufgaben genutzt.The suitability of the measuring probe for measuring under film-forming plasma conditions is preferably to be understood as long-term suitability, which can mean, for example, that the measurement accuracy can remain essentially constant even over long measurement periods under film-forming plasma conditions. In particular, the measuring probe can be set up and therefore also suitable for use in low-pressure plasmas. Low pressure plasmas are used for a variety of coating tasks.

Das von der Messsonde erzeugbare elektrische Gegenfeld kann als eine Art der Einflussnahme auf eine den Sondenkopf umgebende Plasmarandschicht verstanden werden, wobei die Einflussnahme die Verdrängung negativer Ladungsträger vom Sondenkopf einschließt. Dass das erzeugte elektrische Gegenfeld negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt, kann bedeuten, dass eine Elektronendichte in der Nähe des Sondenkopf durch Erzeugen des Gegenfelds verringert wird. Es kann auch bedeuten, dass die Plasmarandschicht vergrößert wird. Durch das Gegenfeld kann somit eine Wechselwirkung der Messsonde mit den Ionen im Plasma erhöht werden. Besonders vorteilhaft ist das Erzeugen des Gegenfeldes in Plasmen hoher Dichte.The opposing electric field that can be generated by the measuring probe can be understood as a type of influencing a plasma edge layer surrounding the probe head, the influencing including the displacement of negative charge carriers from the probe head. The fact that the generated opposing electric field displaces negative charge carriers from the probe head can mean that an electron density in the vicinity of the probe head is reduced by generating the opposing field. It can also mean that the plasma edge layer is enlarged. The opposing field can thus increase the interaction between the measuring probe and the ions in the plasma. It is particularly advantageous to generate the opposing field in high-density plasmas.

Die Messsonde kann insbesondere eingerichtet sein, das elektrische Gegenfeld durch Erzeugen eines elektrischen Potentials am Sondenkopf zu erzeugen. Das Gegenfeld entspricht dann dem erzeugten Potential. Beispielsweise ergibt sich das Gegenfeld aus einem Gradienten des erzeugten Potentials. Das dem Gegenfeld entsprechende Potential weist im Bereich des Sondenkopfes vorzugsweise einen Wert auf, der geringer ist als ein Wert eines elektrischen Potentials, das dem Plasma zugeordnet ist. Es ist besonders bevorzugt, dass der Wert des dem Gegenfeld entsprechenden Potentials überall, insbesondere im Bereich des Sondenkopfes, geringer ist als der entsprechende Wert des elektrischen Potentials, das dem Plasma zugeordnet ist. Das dem Plasma zugeordnete Potential kann insbesondere ein Plasmapotential sein. Gleichzeitig ist der Wert des dem Gegenfeld entsprechenden Potentials bevorzugt überall, insbesondere im Bereich des Sondenkopfes, größer als ein Potentialwert eines Plasmabehälters, in dem das Plasma eingeschlossen ist. Insbesondere kann das dem elektrischen Gegenfeld entsprechende Potential einen negativen Wert aufweisen.The measuring probe can in particular be set up to generate the opposing electric field by generating an electric potential at the probe head. The opposing field then corresponds to the generated potential. For example, the opposing field results from a gradient of the generated potential. The potential corresponding to the opposing field preferably has a value in the area of the probe head which is lower than a value of an electrical potential which is assigned to the plasma. It is particularly preferred that the value of the potential corresponding to the opposing field is lower everywhere, in particular in the area of the probe head, than the corresponding value of the electrical potential that is assigned to the plasma. The potential assigned to the plasma can in particular be a plasma potential. At the same time, the value of the potential corresponding to the opposing field is preferably greater everywhere, in particular in the area of the probe head, than a potential value of a plasma container in which the plasma is enclosed. In particular, the potential corresponding to the opposing electric field can have a negative value.

Das Plasmapotential kann als ein elektrisches Potential verstanden werden, das im Plasma, insbesondere im Inneren des Plasmas, vorherrscht. Das Innere des Plasmas kann beispielsweise ein räumlicher Bereich sein, der von dem Plasma eingenommen wird und der sich so weit entfernt von Oberflächen befindet, dass das Plasma in dem Bereich nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise von den Oberflächen beeinflusst wird. Das Innere des Plasmas könnte auch als Plasmabulk bezeichnet werden. Im Plasmabulk kommt das für das Plasma geltende Prinzip der Quasineutralität zum Tragen, so dass die Elektronendichte dort gleich der Ionendichte ist und den Ionisationsgrad des Plasmas angibt.The plasma potential can be understood as an electrical potential that prevails in the plasma, in particular in the interior of the plasma. The interior of the plasma can be, for example, a spatial area which is occupied by the plasma and which is located so far away from surfaces that the plasma in the area is not influenced by the surfaces or is only influenced to a negligible extent. The interior of the plasma could also be referred to as a plasma bulk. In the plasma bulk, the principle of quasi-neutrality that applies to the plasma comes into play, so that the electron density there is equal to the ion density and indicates the degree of ionization of the plasma.

Indem sich die dielektrische Kappe über die Messelektrode erstreckt und ausgebildet ist, die Messelektrode von dem Plasma abzuschließen, bildet der Sondenkopf eine Kavität, in der sich von der Messelektrode ausgehende elektromagnetische Wellen ausbreiten und Hohlraummoden bilden können. Die dielektrische Kappe kann insbesondere am Sondenkörper entlang verschiebbar sein. Auf diese Weise kann eine Größe der Kavität verändert werden. Die Eigenschaften der Kavität können auch durch verschieden Formen und Materialen der dielektrischen Kappe gezielt beeinflusst werden. Die Freiheit in der Auswahl und Positionierung der dielektrischen Kappe erlaubt es, die Messung der für das Plasma charakteristischen Größen technisch einfacher zu gestalten, da insbesondere die Höhe der Messfrequenzen, das heißt beispielsweise die Frequenz der von der Messelektrode ausgehenden Welle, von den zu messenden Größen weitgehend entkoppelt werden können.Since the dielectric cap extends over the measuring electrode and is designed to isolate the measuring electrode from the plasma, the probe head forms a cavity in which electromagnetic waves emanating from the measuring electrode can propagate and form cavity modes. The dielectric cap can in particular be displaceable along the probe body. In this way, a size of the cavity can be changed. The properties of the cavity can also be specifically influenced by different shapes and materials of the dielectric cap. The freedom in the selection and positioning of the dielectric cap makes it possible to design the measurement of the parameters characteristic of the plasma in a technically simpler manner, since in particular the level of the measurement frequencies, i.e., for example, the frequency of the wave emanating from the measurement electrode, depends on the parameters to be measured can be largely decoupled.

Die Messelektrode besteht aus einem elektrisch leitenden Material. Beispielsweise kann die Messelektrode aus einem Metalldraht geformt sein. Auch die Messelektrode kann, insbesondere bezüglich ihrer Form, verschieden ausgestaltet sein. In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist die Messelektrode zylinderförmig und entlang der Längsachse der Messsonde angeordnet. Allerdings kann die Messelektrode beispielsweise auch eine Leiterschlaufe bilden. Da die Messelektrode Knotenpunkte für die Hohlraummoden in der Kavität definiert, kann auch auf diese Weise, das heißt durch Auswahl verschiedener Formen der Messelektrode, Einfluss auf die benötigten Messfrequenzen genommen werden. Insbesondere kann durch die Auswahl bestimmter Formen der Messelektrode die Zahl der sich im Sondenkopf bildenden Hohlraummoden klein gehalten und so die Ausbildung mehrfacher Absorptionssignale unterdrückt werden. Die Messelektrode kann beispielsweise so geformt sein, dass die Messsonde im Wesentlichen einen Monopolstrahler darstellt.The measuring electrode consists of an electrically conductive material. For example, the measuring electrode can be formed from a metal wire. The measuring electrode can also be designed differently, in particular with regard to its shape. In a particularly simple embodiment, the measuring electrode is cylindrical and arranged along the longitudinal axis of the measuring probe. However, the measuring electrode can also form a conductor loop, for example. Since the measuring electrode defines nodes for the cavity modes in the cavity, the required measuring frequencies can also be influenced in this way, i.e. by selecting different shapes of the measuring electrode. In particular, by selecting certain shapes of the measuring electrode, the number of cavity modes that form in the probe head can be kept small and the formation of multiple absorption signals can thus be suppressed. The measuring electrode can be shaped, for example, in such a way that the measuring probe essentially represents a monopole radiator.

Es kann vorteilhaft sein, dass die Messsonde derart ausgebildet ist, dass sich die dielektrische Kappe, wenn die Messsonde in einen das Plasma erzeugenden bzw. erhaltenden Behälter eingeführt ist, vollständig im Inneren des Behälters, insbesondere vollständig im Plasma, befindet. Auch kann die dielektrische Kappe eingerichtet sein, vollständig in ein Plasma eingeführt zu werden.It can be advantageous for the measuring probe to be designed in such a way that the dielectric cap closes when the measuring probe is in the plasma producing or receiving container is introduced, located completely inside the container, in particular completely in the plasma. The dielectric cap can also be designed to be completely inserted into a plasma.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messsonde ferner eine Gegenelektrode auf, die auf der dielektrischen Kappe angeordnet ist, wobei der Sondenkörper eine elektrische Verbindung zwischen der Gegenelektrode und dem entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde bereitstellt, wobei die Messsonde eingerichtet ist, mittels der Gegenelektrode das elektrische Gegenfeld zu erzeugen.In a preferred embodiment, the measuring probe furthermore has a counter-electrode which is arranged on the dielectric cap, the probe body providing an electrical connection between the counter-electrode and the part of the measuring probe opposite along the longitudinal axis, the measuring probe being set up by means of the counter-electrode generate electric opposing field.

Die Verwendung einer Gegenelektrode zur Erzeugung des elektrischen Gegenfeldes hat den Vorteil, dass das elektrische Gegenfeld in direkter Nähe des Plasmas erzeugt werden kann, so dass zur Verdrängung negativer Ladungsträger vom Sondenkopf nur verhältnismäßig geringe Feldstärken erzeugt werden müssen. Die für einen gegebenen Grad der Verdrängung benötigte, an der Elektrode zu erzeugende Feldstärke hängt aufgrund der Abnahme der Feldstärke mit dem Quadrat des Abstands von der Elektrode verhältnismäßig stark von der Nähe der Elektrode zum Plasma ab.The use of a counter electrode to generate the opposing electrical field has the advantage that the opposing electrical field can be generated in the immediate vicinity of the plasma, so that only relatively low field strengths have to be generated to displace negative charge carriers from the probe head. The field strength to be generated at the electrode required for a given degree of displacement depends relatively strongly on the proximity of the electrode to the plasma due to the decrease in field strength with the square of the distance from the electrode.

Die Verwendung einer Gegenelektrode zur Erzeugung des elektrischen Gegenfeldes hat auch den Vorteil, dass besondere Eigenschaften verschiedener Geometrien und Beschaffenheiten der Gegenelektrode zur Erzeugung spezieller Gegenfelder ausgenutzt werden können. Die auf diese Weise erzeugten speziellen Gegenfelder können die Messgenauigkeit der Messsonde weiter erhöhen.The use of a counter-electrode to generate the counter-electric field also has the advantage that special properties of different geometries and textures of the counter-electrode can be used to generate special counter-fields. The special opposing fields generated in this way can further increase the measuring accuracy of the measuring probe.

Insbesondere kann die Gegenelektrode aus einem Drahtgeflecht gebildet sein, wobei das Drahtgeflecht verschiedene Feinheitsgrade aufweisen kann. Beispielsweise kann die Gegenelektrode als eine Gitterelektrode mit Gitteröffnungen einer vorbestimmten Größe ausgebildet sein, oder die Gegenelektrode kann als Multidraht, das heißt als ein zu einem Drahtbündel geflochtener Draht, ausgebildet sein.In particular, the counter electrode can be formed from a wire mesh, wherein the wire mesh can have different degrees of fineness. For example, the counter electrode can be designed as a grid electrode with grid openings of a predetermined size, or the counter electrode can be designed as a multi-wire, that is to say as a wire braided to form a wire bundle.

Ist die Gegenelektrode als Gitterelektrode ausgebildet, kann sie beispielsweise gleichmäßig als eine Lage auf der Außenseite der dielektrischen Kappe aufliegen. Ist die Gegenelektrode als Multidraht ausgebildet, kann sie beispielsweise in mehreren Windungen oder Schlaufen auf der Außenseite der dielektrischen Kappe um diese herum verlaufen. Die Gegenelektrode kann, ob als Gitterelektrode, Multidraht oder in anderer Form, auch mehrere Längsstreifen entlang der Längsachse der Messsonde bilden, oder sie kann einen oder mehrere Ringe um die Längsachse der Messsonde herum bilden.If the counter electrode is designed as a grid electrode, it can, for example, lie uniformly as a layer on the outside of the dielectric cap. If the counter electrode is designed as a multi-wire, it can for example run in several turns or loops on the outside of the dielectric cap around the latter. The counter electrode, whether as a grid electrode, multi-wire or in another form, can also form several longitudinal strips along the longitudinal axis of the measuring probe, or it can form one or more rings around the longitudinal axis of the measuring probe.

Eine besonders gleichmäßige Abdeckung der dielektrischen Kappe kann durch partiell auf die dielektrische Kappe aufgedampfte oder auf die dielektrische Kappe gesputterte Gegenelektroden erreicht werden. Solche Typen von Gegenelektroden könnten als schichtförmig aufgefasst werden. Bei der Verwendung von schichtförmigen Gegenelektroden kann die elektrische Verbindung zwischen der Gegenelektrode und dem dem Sondenkopf entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde bevorzugt durch einen Schleifkontakt schließbar sein, der sondenkopfseitig unmittelbar vor dem Befestigungselement auf dem Sondenkörper angeordnet ist.A particularly uniform covering of the dielectric cap can be achieved by counter-electrodes that are partially vapor-deposited onto the dielectric cap or sputtered onto the dielectric cap. Such types of counter-electrodes could be viewed as layered. When using layered counterelectrodes, the electrical connection between the counterelectrode and the part of the measuring probe opposite the probe head along the longitudinal axis can preferably be closed by a sliding contact, which is arranged on the probe head side directly in front of the fastening element on the probe body.

Die Gegenelektrode ist nicht notwendigerweise auf der Außenseite der dielektrischen Kappe angeordnet, sondern kann auch auf der Innenseite oder gar im Inneren der dielektrischen Kappe angeordnet sein. Beispielsweise kann die Gegenelektrode bevorzugt als ein Ring, d.h. als ringförmige Gegenelektrode, auf der Innenseite der dielektrischen Kappe angeordnet sein. Insbesondere kann die Gegenelektrode auf der Innenseite der dielektrischen Kappe in der Nähe des Sondenkopfes, das heißt beispielsweise in Längsrichtung der Messsonde unmittelbar hinter der Messelektrode, angeordnet sein.The counter electrode is not necessarily arranged on the outside of the dielectric cap, but can also be arranged on the inside or even inside the dielectric cap. For example, the counter electrode can preferably be arranged as a ring, i.e. as an annular counter electrode, on the inside of the dielectric cap. In particular, the counter electrode can be arranged on the inside of the dielectric cap in the vicinity of the probe head, that is to say for example in the longitudinal direction of the measuring probe directly behind the measuring electrode.

Der Typ der verwendeten Gegenelektrode kann beispielsweise abhängig von angestrebten Eigenschaften des Plasmas ausgewählt werden, wie etwa abhängig von einer zu Beginn eines Beschichtungsprozesses angestrebten Elektronendichte. Gleichfalls kann der Typ der verwendeten Gegenelektrode beispielsweise abhängig von einer Priorität ausgewählt werden, mit der eine bestimmte für das Plasma charakteristische Größe gemessen werden soll. Dies hat den Hintergrund, dass unterschiedliche Typen von Gegenelektroden unterschiedlich geeignet für die Messung einer gegebenen für das Plasma charakteristischen Größe sein können. Beispielsweise ist die Verwendung von Gegenelektroden mit einem verhältnismäßig niedrigen Grad der Abdeckung der dielektrischen Kappe, im Falle von Gitterelektroden also beispielsweise mit einem verhältnismäßig geringen Feinheitsgrad, bevorzugt für die Durchführung von elektronenbezogenen Messungen wie beispielsweise Messungen der Elektronendichte. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass die Gegenwart einer Gegenelektrode allgemein den Einfluss, den das Anlegen einer Spannung an der Messelektrode auf das Plasma hat, gemäß dem Prinzip eines Faradayschen Käfigs hemmt. Umgekehrt kann beispielsweise die Verwendung von Gegenelektroden mit einem verhältnismäßig hohen Grad der Abdeckung der dielektrischen Kappe, im Falle von Gitterelektroden also beispielsweise mit einem verhältnismäßig hohen Feinheitsgrad, bevorzugt für die Durchführung von ionenbezogenen Messungen wie beispielsweise Messungen der Ionendichte sein, da solche Gegenelektroden die Ausbildung von geeigneten Gegenfeldern mit entsprechendem Einfluss auf das Plasma im Nahbereich der Messsonde erleichtern. Im Falle der Verwendung von partiell aufgedampften oder gesputterten, also schichtartigen, Gegenelektroden, sind Schichtdicken zu bevorzugen, die gering genug sind, um sowohl elektronenbezogene als auch ionenbezogene Messungen mit ausreichender Genauigkeit vorzunehmen. Generell kann die Beschaffenheit der Gegenelektrode bei einer Kalibrierung der Messsonde berücksichtigt werden.The type of counterelectrode used can be selected, for example, depending on the desired properties of the plasma, such as depending on an electron density desired at the start of a coating process. Likewise, the type of counter-electrode used can be selected, for example, depending on a priority with which a certain quantity characteristic of the plasma is to be measured. The background to this is that different types of counter-electrodes can be suitable for the measurement of a given quantity characteristic of the plasma in different ways. For example, the use of counter electrodes with a relatively low degree of coverage of the dielectric cap, in the case of grid electrodes, for example, with a relatively low degree of fineness, is preferred for performing electron-related measurements such as measurements of electron density. This is based on the knowledge that the presence of a counter electrode generally inhibits the influence that the application of a voltage to the measuring electrode has on the plasma, according to the principle of a Faraday cage. Conversely, for example, the use of counter electrodes with a relatively high degree of coverage of the dielectric cap, in the case of grid electrodes, for example with a relatively high degree of fineness, can be preferred for performing ion-related measurements such as measurements of the ion density, as such Counter electrodes facilitate the formation of suitable counter fields with a corresponding influence on the plasma in the vicinity of the measuring probe. In the case of using partially vapor-deposited or sputtered, that is, layer-like, counter-electrodes, layer thicknesses that are small enough to carry out both electron-related and ion-related measurements with sufficient accuracy are preferred. In general, the nature of the counter electrode can be taken into account when calibrating the measuring probe.

In einer Ausführungsform kann die elektrische Verbindung zwischen der Messelektrode und dem entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde flexibel oder halbstarr, beispielsweise als Koaxialkabel, ausgebildet sein. Dies kann ein Positionieren der Messsonde, insbesondere des Sondenkopfes, durch Verbiegen ermöglichen. Auch die elektrische Verbindung zwischen der Gegenelektrode und dem entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde kann flexibel oder halbstarr, beispielsweise als Koaxialkabel, ausgebildet sein.In one embodiment, the electrical connection between the measuring electrode and the part of the measuring probe opposite along the longitudinal axis can be flexible or semi-rigid, for example as a coaxial cable. This can enable the measuring probe, in particular the probe head, to be positioned by bending. The electrical connection between the counter electrode and the part of the measuring probe opposite along the longitudinal axis can also be flexible or semi-rigid, for example as a coaxial cable.

In einer Ausführungsform kann die Messsonde eingerichtet sein, mit dem Sondenkörper oder dem dem Sondenkopf entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde mittels eines Flansches an einem Plasmabehälter befestigt zu werden, wobei der Flansch eingerichtet ist, eine Öffnung des Plasmabehälters, durch die die Messsonde zum Messen in den Plasmabehälter eingeführt wird, bei eingeführter Messsonde zu verschließen.In one embodiment, the measuring probe can be set up to be attached to a plasma container with the probe body or the part of the measuring probe opposite the probe head along the longitudinal axis by means of a flange, the flange being set up an opening of the plasma container through which the measuring probe can be used for measuring is introduced into the plasma container to close with the inserted measuring probe.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messsonde ferner ein Befestigungselement auf, das an dem Sondenkörper angeordnet ist, wobei das Befestigungselement angepasst ist, die dielektrische Kappe ablösbar an dem Sondenkörper zu befestigen.In a preferred embodiment, the measuring probe furthermore has a fastening element which is arranged on the probe body, the fastening element being adapted to detachably fasten the dielectric cap to the probe body.

Ein solches Befestigungselement ermöglicht ein Auswechseln der dielektrischen Kappe, ohne dass der Sondenkörper oder andere Teile der Messsonde manipuliert werden müssten. Das Auswechseln der dielektrischen Kappe kann beispielsweise unter schichtbildenden Plasmabedingungen vorteilhaft sein, zum Beispiel, wenn sich auf der dielektrischen Kappe eine Schicht mit einer hohen Dicke gebildet hat, die die Messung der für das Plasma charakteristischen Größen zu sehr verfälschen würde.Such a fastening element enables the dielectric cap to be exchanged without the probe body or other parts of the measuring probe having to be manipulated. The replacement of the dielectric cap can be advantageous, for example, under layer-forming plasma conditions, for example if a layer with a high thickness has formed on the dielectric cap, which would falsify the measurement of the parameters characteristic of the plasma too much.

Das Befestigungselement ist bevorzugt als Schraub- oder Klemmelement ausgebildet. Das Befestigen und Ablösen der dielektrischen Kappe ist dann besonders einfach. Es können aber auch andere Arten von Befestigungselementen verwendet werden.The fastening element is preferably designed as a screw or clamping element. The attachment and detachment of the dielectric cap is then particularly simple. However, other types of fasteners can also be used.

Weist die Messsonde eine auf der dielektrischen Kappe angeordnete Gegenelektrode auf, die mit dem dem Kopfende entlang der Längsachse der Messsonde gegenüberliegenden Teil der Messsonde über eine von dem Sondenkörper bereitgestellte elektrische Verbindung verbunden ist, ist das Befestigungselement bevorzugt angepasst, einen Teil der elektrischen Verbindung bereitzustellen. Beispielsweise kann das Befestigungselement angepasst sein, einen elektrischen Kontakt der elektrischen Verbindung mit der Gegenelektrode bereitzustellen. Der Kontakt kann beispielsweise ein Schraub- oder Klemmkontakt sein.If the measuring probe has a counter electrode arranged on the dielectric cap, which is connected to the part of the measuring probe opposite the head end along the longitudinal axis of the measuring probe via an electrical connection provided by the probe body, the fastening element is preferably adapted to provide part of the electrical connection. For example, the fastening element can be adapted to provide electrical contact between the electrical connection and the counter-electrode. The contact can be a screw or clamp contact, for example.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Befestigungselement angepasst, durch Befestigen der dielektrischen Kappe einen Raum für die Messelektrode zu schaffen, der frei von einer Plasmaentladung ist. Der geschaffene Raum kann als Dunkelraum verstanden werden.In a preferred embodiment, the fastening element is adapted to create a space for the measuring electrode that is free from a plasma discharge by fastening the dielectric cap. The created space can be understood as a dark room.

Das Befestigungselement dient also bevorzugt gleichzeitig als Mittel zum Herstellen einer Dunkelraumabdichtung für einen Bereich unterhalb der dielektrischen Kappe, in dem sich die Messelektrode befindet. Als Dunkelraum wird ein Bereich bezeichnet, in dem insbesondere die Elektronen des Plasmas nicht die nötige kinetische Energie aufweisen, um ein Plasma zu zünden und stoßinduzierte Strahlungsemissionen zu verursachen. Ein Dunkelraum erscheint dementsprechend dunkel und weist kein plasmatypisches Leuchten auf. Die Dunkelraumabdichtung ist nicht notwendigerweise eine Vakuumdichtung. Im Gegenteil ist bevorzugt, dass während einer Messung innerhalb und außerhalb der dielektrischen Kappe der gleiche Druck herrscht. Das Befestigungselement hat den Vorteil, dass es eine Dunkelraumabdichtung der Messelektrode gegenüber dem Plasma ohne weitere Dichtungselemente, insbesondere ohne Vakuumdichtungselemente, ermöglichen kann.The fastening element thus preferably serves at the same time as a means for producing a dark space seal for an area below the dielectric cap in which the measuring electrode is located. A dark room is an area in which, in particular, the electrons of the plasma do not have the necessary kinetic energy to ignite a plasma and cause shock-induced radiation emissions. A dark room appears accordingly dark and does not have any plasma-typical glow. The dark room seal is not necessarily a vacuum seal. On the contrary, it is preferred that the same pressure prevails inside and outside the dielectric cap during a measurement. The fastening element has the advantage that it can enable the measuring electrode to be sealed off from the plasma in the dark without further sealing elements, in particular without vacuum sealing elements.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gegenelektrode von der dielektrischen Kappe ablösbar.In a preferred embodiment, the counter electrode can be detached from the dielectric cap.

Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Gegenelektroden in einer ansonsten unveränderten Messanordnung verwendet werden können, beispielsweise zur Erzeugung unterschiedlicher Gegenfelder aufgrund unterschiedlicher Geometrien und Beschaffenheiten der Gegenelektroden. Ist die dielektrische Kappe selbst ablösbar an dem Sondenkörper befestigt, ermöglicht eine von der dielektrischen Kappe ablösbare Gegenelektrode auch ein Auswechseln der dielektrischen Kappe ohne Auswechseln der Gegenelektrode. Die Gegenelektrode und die dielektrische Kappe sind dann also unabhängig voneinander auswechselbar.This has the advantage that different counter-electrodes can be used in an otherwise unchanged measuring arrangement, for example to generate different counter-fields due to different geometries and properties of the counter-electrodes. If the dielectric cap itself is detachably attached to the probe body, a counter-electrode which can be detached from the dielectric cap also enables the dielectric cap to be replaced without replacing the counter-electrode. The counter electrode and the dielectric cap can then be replaced independently of one another.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sondenkörper ein Kragenelement auf, das der dielektrischen Kappe zugewandt ist, wobei das Kragenelement eine Dicke aufweist, die einen äußeren Querschnitt des Sondenkörpers an einen inneren Querschnitt der dielektrischen Kappe angleicht. Das Kragenelement ist insbesondere außen am Sondenkörper und so nahe am Sondenkopf angeordnet, dass sich die dielektrische Kappe über das Kragenelement erstrecken kann.In a preferred embodiment, the probe body has a collar element which faces the dielectric cap, the collar element having a thickness which matches an outer cross section of the probe body to an inner cross section of the dielectric cap. The collar element is arranged in particular on the outside of the probe body and so close to the probe head that the dielectric cap can extend over the collar element.

Ein solches Kragenelement kann den Vorteil eines Formschlusses zwischen der dielektrischen Kappe und dem Sondenkörper bei gleichzeitiger Flexibilität hinsichtlich der Auswahl der übrigen Komponenten der Messsonde, insbesondere der dielektrischen Kappe und der übrigen Elemente des Sondenkörpers, haben, da diese nicht basierend auf ihren Querschnitten ausgewählt werden müssen. Der Formschluss kann dabei insbesondere eine Dunkelraumabdichtung für den Bereich unterhalb der dielektrischen Kappe, in dem sich die Messelektrode befindet, herstellen. Wird der Formschluss durch einen an den inneren Querschnitt der dielektrischen Kappe angeglichenen äußeren Querschnitt des Sondenkörpers erreicht, kann auch das Befestigungselement einfacher ausgestaltet sein, da auf eine zusätzliche Dunkelraumabdichtung durch das Befestigungselement verzichtet werden kann. Das Vorsehen des Kragenelements kann auch den Vorteil einer Zentrierung der dielektrischen Kappe um die Längsachse der Messsonde bedeuten.Such a collar element can have the advantage of a form fit between the dielectric cap and the probe body with simultaneous flexibility with regard to the selection of the remaining components of the measuring probe, in particular the dielectric cap and the remaining elements of the probe body, since these do not have to be selected based on their cross-sections . The form fit can in particular produce a dark space seal for the area below the dielectric cap in which the measuring electrode is located. If the form fit is achieved by an outer cross section of the probe body that is matched to the inner cross section of the dielectric cap, the fastening element can also be designed more simply, since an additional dark space seal by the fastening element can be dispensed with. The provision of the collar element can also mean the advantage of centering the dielectric cap about the longitudinal axis of the measuring probe.

Das Kragenelement ist bevorzugt als Kragenschicht, also schichtförmig, ausgebildet.The collar element is preferably designed as a collar layer, that is to say in the form of a layer.

Für einen Formschluss der beschriebenen Art muss nicht zwingend ein Kragenelement vorgesehen sein. Dann kann beispielsweise ein Formschluss auch zwischen der dielektrischen Kappe und der elektrischen Verbindung zwischen der Messelektrode und dem dem Sondenkopf entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde bereitgestellt werden. Ist die elektrische Verbindung beispielsweise ein Koaxialkabel, kann sich der Formschluss zwischen einer äußeren Abschirmung des Koaxialkabels und der Innenseite der dielektrischen Kappe einstellen.A collar element does not necessarily have to be provided for a form fit of the type described. Then, for example, a form fit can also be provided between the dielectric cap and the electrical connection between the measuring electrode and the part of the measuring probe opposite the probe head along the longitudinal axis. If the electrical connection is a coaxial cable, for example, the form fit can be established between an outer shield of the coaxial cable and the inside of the dielectric cap.

Das Kragenelement, das heißt insbesondere die Kragenschicht, kann sowohl aus einem elektrisch leitenden Material als auch aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie beispielsweise einem Dielektrikum, bestehen. Besteht das Kragenelement, das heißt insbesondere die Kragenschicht, aus einem elektrisch leitenden Material, ist bevorzugt, dass es sich nicht über einen Rand der dielektrischen Kappe hinaus erstreckt. Auf diese Weise kann eine elektrische Kopplung des Plasmas an den Bereich innerhalb der dielektrischen Kappe über das Kragenelement vermieden werden. Die Wahl des Materials des Kragenelements ist bei der Kalibrierung der Messsonde zu berücksichtigen. Beispielsweise kann das Kragenelement ausgebildet sein, eine dem Sondenkopf zugeordnete Kavitätsmode nicht zu verändern, insbesondere innerhalb eines zum Messen vorgesehenen Bereichs von Messparametern. Die Messparameter können insbesondere die Frequenzen eines Eingangssignals umfassen, das an der Messelektrode erzeugt wird. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Kragenelement aus einem elektrisch leitenden Material besteht, da so für sich im Sondenkopf ausbildende Kavitätsmoden eine frequenzunabhängige Randbedingung am vorderen Ende des Kragenelements erreicht werden kann. Besteht das Kragenelement aus einem elektrisch nichtleitenden Material mit innerhalb des zum Messen vorgesehenen Bereichs von Messparametern frequenzabhängiger Permittivität, kann dies verschiedene effektive Geometrien des Sondenkopfes für verschiedene Frequenzen des Eingangssignals zur Folge haben, da sich im Sondenkopf ausbildende Wellen partiell und unterschiedlich weit in das Kragenelement eindringen können. Die dem Sondenkopf zugeordneten Kavitätsmoden können sich auf diese Weise verschieben und auch in ihrer relativen Intensität verändern. Wenn das Kragenelement die dem Sondenkopf zugeordneten Kavitätsmoden innerhalb des zum Messen vorgesehenen Bereichs von Messparametern verändert, das heißt insbesondere dann, wenn es aus einem nichtleitenden Material besteht, ist bevorzugt eine frequenzabhängige Kalibrierung der Messsonde vorgesehen.The collar element, that is to say in particular the collar layer, can consist of an electrically conductive material as well as an electrically non-conductive material such as a dielectric. If the collar element, that is to say in particular the collar layer, consists of an electrically conductive material, it is preferred that it does not extend beyond an edge of the dielectric cap. In this way, electrical coupling of the plasma to the area within the dielectric cap via the collar element can be avoided. The choice of material for the collar element must be taken into account when calibrating the measuring probe. For example, the collar element can be designed not to change a cavity mode assigned to the probe head, in particular within a range of measurement parameters provided for measurement. The measurement parameters can in particular include the frequencies of an input signal that is generated at the measurement electrode. This can be achieved in particular in that the collar element consists of an electrically conductive material, since a frequency-independent boundary condition can be achieved at the front end of the collar element for cavity modes that are formed in the probe head. If the collar element consists of an electrically non-conductive material with a frequency-dependent permittivity within the range of measurement parameters provided for measurement, this can result in different effective geometries of the probe head for different frequencies of the input signal, since waves forming in the probe head penetrate the collar element partially and to different extents be able. The cavity modes assigned to the probe head can shift in this way and also change their relative intensity. If the collar element changes the cavity modes assigned to the probe head within the range of measurement parameters provided for measurement, that is to say in particular if it consists of a non-conductive material, a frequency-dependent calibration of the measurement probe is preferably provided.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sondenkörper in einem Bereich, der sich in Längsrichtung an die dielektrische Kappe anschließt, eine isolierende Mantelschicht auf.In a preferred embodiment, the probe body has an insulating jacket layer in a region which adjoins the dielectric cap in the longitudinal direction.

Bevorzugt weist die isolierende Mantelschicht eine Dicke auf, die den Bereich, der sich in Längsrichtung an die dielektrische Kappe anschließt, in seinem äußeren Querschnitt an einen äußeren Querschnitt der dielektrischen Kappe angleicht. Auf diese Weise kann die Messsonde ein stufenloses Äußeres bilden, was Gasverwirbelungen an der Oberfläche der Messsonde verringern kann. Dies ist insbesondere in Plasmabeschichtungsprozessen, das heißt unter schichtbildenden Plasmabedingungen, von Vorteil, da Gasverwirbelungen den eigentlichen Schichtbildungsprozess negativ beeinflussen können. Beispielsweise kann durch ein stufenloses Äußeres eine lokale Staubbildung vermieden werden. Ein stufenloses Äußeres der Messsonde ist aber auch ganz allgemein von Vorteil, da dieses während einer Messung die Ausbildung einer gleichmäßigen Plasmarandschicht um die Messsonde herum fördern kann, wobei eine gleichmäßige Plasmarandschicht, insbesondere im Bereich des Sondenkopfes, die Messgenauigkeit erhöhen kann.The insulating cladding layer preferably has a thickness which, in its outer cross section, aligns the region which adjoins the dielectric cap in the longitudinal direction to an outer cross section of the dielectric cap. In this way, the measuring probe can form a stepless exterior, which can reduce gas turbulence on the surface of the measuring probe. This is particularly advantageous in plasma coating processes, that is to say under layer-forming plasma conditions, since gas turbulence can negatively influence the actual layer formation process. For example, a stepless exterior can prevent local dust formation. A stepless exterior of the measuring probe is also generally advantageous, since this can promote the formation of a uniform plasma edge layer around the measuring probe during a measurement, with a uniform plasma edge layer, in particular in the area of the probe head, being able to increase the measurement accuracy.

Grundsätzlich kann die Mantelschicht alternativ auch nicht isolierend, also elektrisch leitend ausgebildet sein. Dann ist allerdings darauf zu achten, dass die Mantelschicht ausreichend geerdet ist, um blitzartige Entladungen während einer Messung zu vermeiden. Selbst bei ausreichender Erdung können noch lokale Entladungen bei Einführen der Messsonde in das Plasma entstehen, wobei diese unter Umständen toleriert werden können. Gänzlich oder zumindest weitestgehend können derartige Entladungsvorgänge nur durch eine dielektrische Mantelschicht vermieden werden. Dies liegt darin begründet, dass eine dielektrische Mantelschicht sich bei Einbringen der Messsonde in das Plasma lediglich einmalig auf das Floating-Potential auflädt und in der Folge im Gleichgewicht mit dem Plasma steht.In principle, the cladding layer can alternatively also be designed to be non-insulating, that is to say to be electrically conductive. In this case, however, it must be ensured that the cladding layer is sufficiently earthed in order to avoid lightning-like discharges during a measurement. Even with adequate grounding, local discharges can still occur when the measuring probe is inserted into the plasma, and these can be tolerated under certain circumstances. Such discharge processes can only be avoided entirely or at least to the greatest possible extent by means of a dielectric cladding layer. This is due to the fact that a dielectric jacket layer is only charged once to the floating potential when the measuring probe is introduced into the plasma and is consequently in equilibrium with the plasma.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messsonde bezüglich der Längsachse zylindersymmetrisch ausgebildet, wobei die dielektrische Kappe ein kuppelförmiges Kopfende mit einem U-förmigen Längsschnitt aufweist.In a preferred embodiment, the measuring probe is designed to be cylindrically symmetrical with respect to the longitudinal axis, the dielectric cap having a dome-shaped head end with a U-shaped longitudinal section.

Die dielektrische Kappe weist also bis auf ihr Kopfende ebenfalls Zylindersymmetrie auf. Die Zylindersymmetrie bietet den Vorteil einer hohen mechanischen Stabilität. Zylindersymmetrische Kappen mit kuppelförmigem Kopfende können zudem typischerweise mit einer in hohem Maße gleichmäßigen Materialstärke gefertigt werden. Grundsätzlich kann aber auch eine dielektrische Kappe mit einem flachen Kopfende verwendet werden, wobei dann eine erhöhte Dicke der Kappe im Bereich des Kopfendes toleriert werden kann. Unabhängig von ihrer konkreten Form ist die dielektrische Kappe an ihrem Kopfende bevorzugt geschlossen. An ihrem dem Kopfende gegenüberliegenden Ende ist die dielektrische Kappe bevorzugt offen. Sie ist also bevorzugt hohl ausgebildet, d.h. abgesehen von ihrer äußeren Wand, die selbst hohl oder massiv ausgebildet sein kann, nicht massiv. Die dielektrische Kappe, d.h. die Wand der dielektrischen Kappe, kann beispielsweise im Wesentlichen oder vollständig aus Glas, vorzugsweise hitzebeständigem Glas, bestehen. Die dielektrische Kappe kann aber ebenso andere dielektrische Materialien aufweisen oder aus solchen bestehen. Die relative Permittivität ε_r des Materials der dielektrischen Kappe kann bevorzugt zwischen 4,50 und 5,50 liegen, beispielsweise den Wert 4,84 annehmen. Prinzipiell sind aber dielektrische Kappen mit beliebigen Werten der relativen Permittivität nutzbar. Bei dem Wert von 4,84 handelt es sich um ein Glas. Höhere Werte, wie beispielsweise Werte zwischen 6 und 8, sind aber durchaus vorstellbar. Durch diese verschiebt sich die gemessene Absorptionsfrequenz zu niedrigeren Frequenzen, was durchaus von Vorteil für bestimmte Messanordnungen sein kann.The dielectric cap thus also has cylindrical symmetry up to its head end. The cylinder symmetry offers the advantage of high mechanical stability. Cylindrical symmetrical caps with a dome-shaped head end can also typically be manufactured with a highly uniform material thickness. In principle, however, a dielectric cap with a flat head end can also be used, in which case an increased thickness of the cap in the area of the head end can be tolerated. Regardless of its specific shape, the dielectric cap is preferably closed at its head end. At its end opposite the head end, the dielectric cap is preferably open. It is therefore preferably made hollow, that is to say, apart from its outer wall, which itself can be made hollow or solid, not solid. The dielectric cap, that is to say the wall of the dielectric cap, can for example essentially or completely consist of glass, preferably heat-resistant glass. However, the dielectric cap can also have or consist of other dielectric materials. The relative permittivity ε _{r of} the material of the dielectric cap can preferably be between 4.50 and 5.50, for example assume the value 4.84. In principle, however, dielectric caps with any desired values of the relative permittivity can be used. The value of 4.84 is a glass. However, higher values, such as values between 6 and 8, are certainly conceivable. As a result of this, the measured absorption frequency is shifted to lower frequencies, which can definitely be advantageous for certain measuring arrangements.

Erfindungsgemäß ist auch eine Messstruktur zum Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen vorgesehen, die einen Sondenkörper mit einem Sondenkopf aufweist, wobei sich der Sondenkörper entlang einer Längsachse der Messstruktur erstreckt und angepasst ist, zum Messen der für ein Plasma charakteristischen Größen mit dem Sondenkopf in das Plasma eingeführt zu werden. Die Messstruktur weist eine Messelektrode auf, die am Sondenkopf angeordnet ist, wobei der Sondenkörper eine elektrische Verbindung zwischen der Messelektrode und einem dem Sondenkopf entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messstruktur bereitstellt. Dabei ist die Messstruktur eingerichtet, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt, und der Sondenkörper ist ausgebildet, eine dielektrische Kappe derart aufzunehmen, dass sie sich nach der Aufnahme über die Messelektrode erstreckt und die Messelektrode von dem Plasma abschließt.According to the invention, a measuring structure for measuring quantities characteristic of a plasma is also provided, which has a probe body with a probe head, the probe body extending along a longitudinal axis of the measuring structure and being adapted for measuring the quantities characteristic of a plasma with the probe head in the Plasma to be introduced. The measuring structure has a measuring electrode which is arranged on the probe head, the probe body providing an electrical connection between the measuring electrode and a part of the measuring structure opposite the probe head along the longitudinal axis. The measuring structure is set up to generate an opposing electrical field that displaces negative charge carriers from the probe head, and the probe body is designed to accommodate a dielectric cap in such a way that it extends over the measuring electrode after recording and isolates the measuring electrode from the plasma.

Die dielektrische Kappe kann beispielsweise als Verbrauchsteil vorgesehen sein.The dielectric cap can for example be provided as a consumable part.

Ein Austauschen der dielektrischen Kappe kann beispielsweise einfach durch ein Abziehen der dielektrischen Kappe von dem Sondenkörper in Richtung des Sondenkopfes und anschließendes, in entsprechend umgekehrter Richtung vollzogenes, Aufstecken einer neuen dielektrischen Kappe erfolgen. Die aufgesteckte neue dielektrische Kappe kann dann bereits durch einen Formschluss mit einer Kragenschicht des Sondenkörpers an dem Sondenkörper fixiert sein und/oder mittels des Befestigungselements an dem Sondenkörper befestigt werden.The dielectric cap can be exchanged, for example, simply by pulling the dielectric cap off the probe body in the direction of the probe head and then attaching a new dielectric cap in a correspondingly reversed direction. The plugged-on new dielectric cap can then already be fixed to the probe body by a form fit with a collar layer of the probe body and / or be fastened to the probe body by means of the fastening element.

Das Austauschen der dielektrischen Kappe erfolgt bevorzugt erst, wenn die Beschichtung der Außenseite der dielektrischen Kappe eine so hohe Dicke aufweist, dass es zu einer Beeinträchtigung von Messungen, insbesondere zu einer verminderten Messgenauigkeit, kommt. Eine solche Beeinträchtigung kann beispielsweise bei einer Dicke der Wand der dielektrischen Kappe von 1 mm bereits bei Beschichtungsdicken von einigen 10 µm, insbesondere spätestens bei Beschichtungsdicken über 100 µm, vorliegen. Solche Beschichtungsdicken werden allerdings typischerweise erst nach verhältnismäßig langen Verwendungszeiten, bei mehrmals täglich durchgeführten Messungen beispielsweise erst nach einigen Tagen, erreicht. Dementsprechend ist das Austauschen der dielektrischen Kappe typischerweise nur in verhältnismäßig großen zeitlichen Abständen erforderlich.The dielectric cap is preferably only replaced when the coating on the outside of the dielectric cap is so thick that measurements are impaired, in particular measurement accuracy is reduced. Such an impairment can be present, for example, with a thickness of the wall of the dielectric cap of 1 mm already with coating thicknesses of a few 10 μm, in particular with coating thicknesses over 100 μm at the latest. However, such coating thicknesses are typically only achieved after a relatively long period of use, for example only after a few days in the case of measurements carried out several times a day. Accordingly, the replacement of the dielectric cap is typically only required at relatively long time intervals.

Erfindungsgemäß ist ferner eine dielektrische Kappe zur Verwendung mit der Messstruktur als Messsonde vorgesehen, wobei die dielektrische Kappe ausgebildet ist, derart von dem Sondenkörper aufgenommen zu werden, dass sich die dielektrische Kappe über die Messelektrode erstreckt und die Messelektrode von dem Plasma abschließt.According to the invention, a dielectric cap is also provided for use with the measuring structure as a measuring probe, the dielectric cap being designed to be received by the probe body in such a way that the dielectric cap extends over the measuring electrode and isolates the measuring electrode from the plasma.

Erfindungsgemäß ist auch ein Messsystem zum Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen vorgesehen, wobei das Messsystem die Messsonde und eine Spannungsvorrichtung zum Erzeugen eines Eingangssignals und zum Erzeugen des elektrischen Gegenfeldes aufweist, wobei die Spannungsvorrichtung, über eine elektrische Verbindung mit der Messsonde, zum Erzeugen des Eingangssignals mit der Messelektrode verbindbar ist. Das Messsystem weist zudem eine Signalempfangseinheit zum Empfangen eines Ausgangssignals auf, wobei die Signalempfangseinheit über die elektrische Verbindung mit der Messsonde zum Empfangen des Ausgangssignals mit der Messelektrode verbindbar ist, und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen der für das Plasma charakteristischen Größen basierend auf dem Ausgangssignal.According to the invention, a measuring system for measuring parameters characteristic of a plasma is also provided, the measuring system having the measuring probe and a voltage device for generating an input signal and for generating the opposing electrical field, the voltage device, via an electrical connection to the measuring probe, for generating the Input signal can be connected to the measuring electrode. The measuring system also has a signal receiving unit for receiving an output signal, the signal receiving unit being connectable via the electrical connection to the measuring probe for receiving the output signal with the measuring electrode, and an evaluation unit for determining the variables characteristic of the plasma based on the output signal.

Das Ausgangssignal kann beispielsweise indikativ für einen Grad der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma sein, wobei dann die Auswerteeinheit das Eingangssignal und das Ausgangssignal verwenden kann, um beispielsweise die Elektronendichte oder die Ionendichte zu bestimmen. Wird das Ausgangssignal als Indikator für den Grad der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma verwendet, könnte es auch als Impulsantwort verstanden werden, wobei das Eingangssignal als der entsprechende anregende Impuls verstanden werden könnte. Der Grad der Absorption könnte beispielsweise anhand einer Einfügedämpfung angebbar sein. Das Ausgangssignal kann aber auch, im Rahmen einer passiven, kapazitiven Messung, einfach das mittels der Messelektrode gemessene elektrische Messsignal sein, das dann beispielsweise verwendet werden kann, um den zeitlichen Verlauf des Plasmapotentials oder den zeitlichen Verlauf des Floating-Potentials zu messen. Die kapazitive Messung kann beispielsweise auf dem Prinzip der kapazitiven Spannungsteilung basieren.The output signal can, for example, be indicative of a degree of absorption of the input signal by the plasma, in which case the evaluation unit can then use the input signal and the output signal to determine, for example, the electron density or the ion density. If the output signal is used as an indicator of the degree of absorption of the input signal by the plasma, it could also be understood as an impulse response, in which case the input signal could be understood as the corresponding stimulating impulse. The degree of absorption could, for example, be specifiable on the basis of an insertion loss. The output signal can also, in the context of a passive, capacitive measurement, simply be the electrical measurement signal measured by means of the measuring electrode, which can then be used, for example, to measure the time profile of the plasma potential or the time profile of the floating potential. The capacitive measurement can, for example, be based on the principle of capacitive voltage division.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsvorrichtung angepasst, das Eingangssignal hochfrequent bereitzustellen und das elektrische Gegenfeld niederfrequent oder konstant bereitzustellen.In a preferred embodiment, the voltage device is adapted to provide the input signal at a high frequency and to provide the opposing electrical field at a low frequency or constant.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Spannungsvorrichtung eine erste Spannungsquelle und eine zweite Spannungsquelle auf, wobei die erste Spannungsquelle angepasst ist, das Eingangssignal zu erzeugen, und wobei die zweite Spannungsquelle angepasst ist, das elektrische Gegenfeld zu erzeugen.In a preferred embodiment, the voltage device has a first voltage source and a second voltage source, wherein the first voltage source is adapted to generate the input signal, and wherein the second voltage source is adapted to generate the opposing electrical field.

Die erste Spannungsquelle und die Signalempfangseinheit können in einer gemeinsamen Einheit integriert sein, wie beispielsweise in Form eines Netzwerkanalysators. Die Signalempfangseinheit kann aber ebenso als von der ersten und der zweiten Spannungsquelle separate Einheit, beispielsweise als Oszilloskop, ausgebildet sein.The first voltage source and the signal receiving unit can be integrated in a common unit, for example in the form of a network analyzer. The signal receiving unit can, however, also be designed as a unit separate from the first and the second voltage source, for example as an oscilloscope.

Die erste Spannungsquelle kann mit der Messsonde über eine erste elektrische Verbindung verbindbar sein und die zweite Spannungsquelle kann mit der Messsonde über eine zweite elektrische Verbindung verbindbar sein, wobei die erste Spannungsquelle angepasst sein kann, das Eingangssignal über die erste elektrische Verbindung bereitzustellen, und die zweite Spannungsquelle angepasst sein kann, das elektrische Gegenfeld über die zweite elektrische Verbindung bereitzustellen.The first voltage source can be connectable to the measuring probe via a first electrical connection and the second voltage source can be connected to the measuring probe via a second electrical connection, wherein the first voltage source can be adapted to provide the input signal via the first electrical connection, and the second Voltage source can be adapted to provide the opposing electrical field via the second electrical connection.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Messsystem einen Hochpassfilter zum Filtern des Ausgangssignals auf.In a preferred embodiment, the measuring system has a high-pass filter for filtering the output signal.

Dies ermöglicht, das Ausgangssignal von einer Rückwirkung des elektrischen Gegenfeldes zu bereinigen. Weist die Spannungsvorrichtung eine erste Spannungsquelle zum Erzeugen des Eingangssignals und eine zweite Spannungsquelle zum Erzeugen des elektrischen Gegenfeldes auf und ist die erste Spannungsquelle mit der Signalempfangseinheit in einer gemeinsamen Einheit integriert, kann der Hochpassfilter insbesondere zwischen den beiden Spannungsquellen, das heißt zwischen der ersten Spannungsquelle mit der Signalempfangseinheit und der zweiten Spannungsquelle angeordnet sein. So kann ermöglicht werden, dass eine niederfrequente Spannung oder Gleichspannung, die die zweite Spannungsquelle zum Erzeugen des Gegenfeldes bereitstellt, nicht direkt auf die Signalempfangseinheit zurückwirkt.This enables the output signal to be cleared of any reaction of the opposing electric field. If the voltage device has a first voltage source for generating the input signal and a second voltage source for generating the opposing electrical field and if the first voltage source is integrated with the signal receiving unit in a common unit, the high-pass filter can in particular between the two voltage sources, i.e. between the first voltage source the signal receiving unit and the second voltage source can be arranged. It can thus be made possible that a low-frequency voltage or direct voltage, which the second voltage source provides for generating the opposing field, does not react directly on the signal receiving unit.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsvorrichtung angepasst, das elektrische Gegenfeld über die elektrische Verbindung mit der Messsonde an der Messelektrode zu erzeugen.In a preferred embodiment, the voltage device is adapted to generate the opposing electrical field via the electrical connection with the measuring probe on the measuring electrode.

Die Messsonde des Messsystems muss auf diese Weise nicht zwingend eine Gegenelektrode aufweisen, an der das elektrische Gegenfeld erzeugt wird.In this way, the measuring probe of the measuring system does not necessarily have to have a counter electrode at which the counter electric field is generated.

Die Erzeugung des elektrischen Gegenfeldes mittels der Messelektrode kann einen Wartungsaufwand für die Messsonde erheblich verringern. Dabei kann speziell der Verzicht auf eine Gegenelektrode das separate Auswechseln der dielektrischen Kappe vereinfachen, da ein Lösen der Gegenelektrode von der dielektrischen Kappe entfällt. Weist die Messsonde ein Befestigungselement auf, das einen Teil der elektrischen Verbindung zur Gegenelektrode bereitstellt, kann insbesondere das Lösen der Gegenelektrode von dem Befestigungselement sowie das darauffolgende Neuverbinden, also beispielsweise das Lösen und darauffolgende Wiederherstellen entsprechender elektrischer Kontakte, entfallen. Da das Neuverbinden fehleranfällig ist, kann der Verzicht auf eine Gegenelektrode also auch die Fehleranfälligkeit der Messsonde verringern. Da nicht nur die dielektrische Kappe, sondern auch die Gegenelektrode mit der Zeit ausgewechselt werden wird, entfällt auch der hierdurch verursachte weitere Material- und Zeitaufwand.The generation of the opposing electrical field by means of the measuring electrode can considerably reduce maintenance costs for the measuring probe. In this case, in particular, dispensing with a counterelectrode can simplify the separate replacement of the dielectric cap, since there is no need to detach the counterelectrode from the dielectric cap. If the measuring probe has a fastening element that provides part of the electrical connection to the counterelectrode, in particular the loosening of the counterelectrode from the fastening element and the subsequent reconnection, for example the loosening and subsequent re-establishment of corresponding electrical contacts, can be dispensed with. Since that If reconnecting is prone to errors, dispensing with a counter electrode can also reduce the measuring probe's susceptibility to errors. Since not only the dielectric cap, but also the counter-electrode will be replaced over time, the additional material and time expenditure that this causes is also eliminated.

Die Erzeugung des elektrischen Gegenfeldes mittels der Messelektrode ermöglicht zudem eine Messung der für das Plasma charakteristischen Größen mit hoher Messgenauigkeit aufgrund einer hohen Signalqualität, insbesondere bei aktiven Messungen, wie beispielsweise Absorptionsmessungen. Die Signalqualität ist gegenüber Ausführungsformen mit einer Gegenelektrode beispielsweise dadurch erhöht, dass keine Dämpfung von Signalen durch die Gegenelektrode stattfindet.The generation of the opposing electric field by means of the measuring electrode also enables the parameters characteristic of the plasma to be measured with high measuring accuracy due to a high signal quality, in particular in the case of active measurements, such as absorption measurements. The signal quality is increased compared to embodiments with a counter electrode, for example, in that there is no attenuation of signals by the counter electrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messsonde, wie oben beschrieben, eine auf der dielektrischen Kappe angeordnete Gegenelektrode auf, wobei die Spannungsvorrichtung angepasst ist, das elektrische Gegenfeld über die elektrische Verbindung mit der Messsonde an der Gegenelektrode zu erzeugen.In a preferred embodiment, the measuring probe, as described above, has a counter-electrode arranged on the dielectric cap, the voltage device being adapted to generate the counter-electric field via the electrical connection with the measuring probe on the counter-electrode.

Ein auf diese Weise ausgebildetes Messsystem macht sich die Vorteile der die Gegenelektrode aufweisenden Messsonde zu eigen, die bereits beschrieben wurden.A measuring system designed in this way adopts the advantages of the measuring probe having the counter electrode, which have already been described.

Das Messsystem weist bevorzugt einen Tiefpassfilter zum Filtern von Signalen entlang der zweiten elektrischen Verbindung auf. Der Tiefpassfilter ist bevorzugt nahe oder an einem elektrischen Kontakt der Messsonde und der Spannungsvorrichtung angeordnet. Insbesondere kann der Tiefpassfilter an oder nahe einem elektrischen Kontakt angeordnet sein, der die elektrische Verbindung zwischen der Gegenelektrode und dem entlang der Längsachse der Messsonde dem Sondenkopf gegenüberliegenden Teil der Messsonde schließt. Im einfachsten Fall kann als Tiefpassfilter zum Beispiel eine Spule vorgesehen sein. Der Tiefpassfilter kann verhindern, dass hochfrequente Eingangssignale, die von der ersten Spannungsquelle bereitgestellt werden, auch an die Gegenelektrode übertragen werden. Der Tiefpassfilter kann auch verhindern, dass ein möglicherweise über die Gegenelektrode aufgenommener Hochfrequenzstrom die Spannungsvorrichtung erreicht. Dies hat den Hintergrund, dass die zweite Spannungsquelle hochfrequenztechnisch eine Senke bilden kann. Allerdings ist zu vermeiden, dass bei kapazitiven Hochfrequenz-Entladungen ein Nettostrom fließt. Eine Störung der Entladungen durch die Gegenelektrode kann durch einen Tiefpassfilter vermieden werden.The measuring system preferably has a low-pass filter for filtering signals along the second electrical connection. The low-pass filter is preferably arranged close to or at an electrical contact between the measuring probe and the voltage device. In particular, the low-pass filter can be arranged at or near an electrical contact which closes the electrical connection between the counter electrode and that part of the measuring probe opposite the probe head along the longitudinal axis of the measuring probe. In the simplest case, a coil, for example, can be provided as the low-pass filter. The low-pass filter can prevent high-frequency input signals, which are provided by the first voltage source, from also being transmitted to the counter electrode. The low-pass filter can also prevent a high-frequency current possibly picked up via the counter electrode from reaching the voltage device. The reason for this is that the second voltage source can form a sink in terms of high frequency technology. However, it must be avoided that a net current flows in the case of capacitive high-frequency discharges. Disturbance of the discharges by the counter electrode can be avoided by using a low-pass filter.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Messsystem zum hochohmigen Messen und zum niederohmigen Messen angepasst.In a preferred embodiment, the measuring system is adapted for high-resistance measurement and for low-resistance measurement.

Dies ermöglicht die Messung unterschiedlicher das Plasma charakterisierender Größen. Beispielsweise kann die hochohmige Messung verwendet werden, um den zeitlichen Verlauf des Plasmapotentials zu bestimmen, und die niederohmige Messung kann verwendet werden, um den zeitlichen Verlauf des Floating-Potentials zu bestimmen.This enables the measurement of different parameters characterizing the plasma. For example, the high-resistance measurement can be used to determine the course of the plasma potential over time, and the low-resistance measurement can be used to determine the course of the floating potential over time.

Ein Wechsel zwischen hochohmiger Messung und niederohmiger Messung kann beispielsweise durch ein Schaltelement vorgenommen werden, wobei das Schaltelement eingerichtet sein kann, eine Impedanz zu verändern, die einem Teil des Messsystems zugeordnet ist, der zwischen der Messsonde und der Auswerteeinheit liegt.A switch between high-resistance measurement and low-resistance measurement can be made, for example, by a switching element, wherein the switching element can be set up to change an impedance that is assigned to a part of the measuring system that lies between the measuring probe and the evaluation unit.

Wie bereits erläutert, kann das Plasmapotential als ein elektrisches Potential verstanden werden, das im Plasma, insbesondere im Inneren des Plasmas, vorherrscht, wobei das Innere des Plasmas beispielsweise ein räumlicher Bereich sein kann, der von dem Plasma eingenommen wird und der sich so weit entfernt von Oberflächen befindet, dass das Plasma in dem Bereich nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise von den Oberflächen beeinflusst wird.As already explained, the plasma potential can be understood as an electrical potential that prevails in the plasma, in particular in the interior of the plasma, the interior of the plasma, for example, being a spatial area that is occupied by the plasma and that is so far away of surfaces is that the plasma in the area is not or only negligibly influenced by the surfaces.

Das Floating-Potential kann hingegen als ein elektrisches Potential verstanden werden, auf das sich eine Oberfläche in einem Plasma, das heißt beispielsweise durch Erzeugen eines Plasmas in ihrer Umgebung oder durch Einbringen der Oberfläche in ein Plasma, auflädt, wenn die Oberfläche nicht geerdet oder mit einer Spannungsquelle verbunden ist, wenn sie also elektrisch isoliert ist.The floating potential, on the other hand, can be understood as an electrical potential to which a surface in a plasma, i.e. for example by generating a plasma in its environment or by introducing the surface into a plasma, is charged if the surface is not earthed or with is connected to a voltage source, so when it is electrically isolated.

Die Differenz zwischen Plasmapotential und Floating-Potential wird durch die Plasmarandschicht bestimmt, insbesondere deren Dicke wiederum von für das Plasma charakteristischen Größen wie beispielsweise der Elektronendichte und Elektronentemperatur abhängt.The difference between the plasma potential and the floating potential is determined by the plasma edge layer, in particular the thickness of which in turn depends on parameters characteristic of the plasma, such as the electron density and electron temperature, for example.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Messsystem angepasst, als die für das Plasma charakteristischen Größen zumindest eine Größe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Elektronendichte, Ionendichte, zeitlicher Verlauf des Plasmapotentials, zeitlicher Verlauf des Floating-Potentials und Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion zu bestimmen.In a preferred embodiment, the measuring system is adapted to determine at least one variable selected from the group consisting of electron density, ion density, temporal progression of the plasma potential, temporal progression of the floating potential and electron energy probability function as the quantities characteristic of the plasma.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsvorrichtung angepasst, während eines Messzeitraums zum Messen der Elektronendichte das Eingangssignal mit variierender Frequenz zu erzeugen und kein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, wobei die Signalempfangseinheit angepasst ist, während des Messzeitraums das Ausgangssignal aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, die Elektronendichte auf Basis des Eingangssignals und des Ausgangssignals zu bestimmen.In a preferred embodiment, the voltage device is adapted to generate the input signal with a varying frequency during a measurement period for measuring the electron density and not to generate an opposing electric field generate, wherein the signal receiving unit is adapted to receive the output signal during the measurement period, wherein the evaluation unit is adapted to determine the electron density on the basis of the input signal and the output signal.

Die Auswerteeinheit kann insbesondere ausgebildet sein, das Eingangssignal und das Ausgangssignal zu verwenden, um einen frequenzabhängigen Reflexionskoeffizienten und die Elektronendichte in Abhängigkeit von der Frequenz, an der der Reflexionskoeffizient ein Minimum aufweist, zu bestimmen.The evaluation unit can in particular be designed to use the input signal and the output signal in order to determine a frequency-dependent reflection coefficient and the electron density as a function of the frequency at which the reflection coefficient has a minimum.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsvorrichtung angepasst, während eines Messzeitraums zum Messen der Ionendichte das Eingangssignal mit variierender Frequenz zu erzeugen und das elektrische Gegenfeld zu erzeugen, wobei die Signalempfangseinheit angepasst ist, während des Messzeitraums das Ausgangssignal aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, die Ionendichte auf Basis des Eingangssignals und des Ausgangssignals zu bestimmen.In a preferred embodiment, the voltage device is adapted to generate the input signal with varying frequency during a measurement period for measuring the ion density and to generate the opposing electrical field, the signal receiving unit being adapted to receive the output signal during the measurement period, the evaluation unit being adapted to the Determine ion density based on the input signal and the output signal.

Die Auswerteeinheit ist insbesondere ausgebildet, das Eingangssignal und das Ausgangssignal zu verwenden, um einen frequenzabhängigen Reflexionskoeffizienten und die Ionendichte in Abhängigkeit von der Frequenz, an der der Reflexionskoeffizient ein Minimum aufweist, zu bestimmen.The evaluation unit is designed in particular to use the input signal and the output signal in order to determine a frequency-dependent reflection coefficient and the ion density as a function of the frequency at which the reflection coefficient has a minimum.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Signalempfangseinheit angepasst, während eines Messzeitraums zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Plasmapotentials das Ausgangssignal hochohmig aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, den zeitlichen Verlauf des Plasmapotentials auf Basis des hochohmig aufgenommenen Ausgangssignals zu bestimmen.In a preferred embodiment, the signal receiving unit is adapted to record the output signal with high resistance during a measurement period for measuring the time profile of the plasma potential, the evaluation unit being adapted to determine the time profile of the plasma potential on the basis of the output signal recorded with high resistance.

Während des Messzeitraums zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Plasmapotentials liefert die Spannungsvorrichtung bevorzugt keine Spannung und damit kein Eingangssignal und auch kein Gegenfeld.During the measurement period for measuring the time profile of the plasma potential, the voltage device preferably delivers no voltage and thus no input signal and also no opposing field.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Signalempfangseinheit angepasst, während eines Messzeitraums zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Floating-Potentials das Ausgangssignal niederohmig aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, den zeitlichen Verlauf des Floating-Potentials auf Basis des niederohmig aufgenommenen Ausgangssignals zu bestimmen.In a preferred embodiment, the signal receiving unit is adapted to record the output signal with low resistance during a measurement period for measuring the time profile of the floating potential, the evaluation unit being adapted to determine the time profile of the floating potential on the basis of the output signal recorded with low resistance.

Auch während des Messzeitraums zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Floating-Potentials liefert die Spannungsvorrichtung bevorzugt keine Spannung und damit kein Eingangssignal und auch kein Gegenfeld.Even during the measurement period for measuring the time profile of the floating potential, the voltage device preferably does not supply any voltage and thus no input signal and also no opposing field.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spannungsvorrichtung und die Signalempfangseinheit angepasst, zum Messen der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion, für unterschiedliche Gegenfelder das Eingangssignal mit variierender Frequenz zu erzeugen und das Ausgangssignal aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion auf Basis der für die unterschiedlichen Gegenfelder erzeugten Eingangssignale und der für die unterschiedlichen Gegenfelder aufgenommenen Ausgangssignale zu bestimmen.In a preferred embodiment, the voltage device and the signal receiving unit are adapted to measure the electron energy probability function, to generate the input signal with varying frequency for different opposing fields and to record the output signal, the evaluation unit being adapted to the electron energy probability function on the basis of the for the different To determine opposing fields generated input signals and the recorded output signals for the different opposing fields.

Die Auswerteeinheit ist insbesondere ausgebildet, das Eingangssignal und das Ausgangssignal zu verwenden, um für jedes Gegenfeld einen frequenzabhängigen Reflexionskoeffizienten und eine Frequenz, an der der Reflexionskoeffizienten ein Minimum aufweist, zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit weiter ausgebildet ist, die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion auf Basis der für die verschiedenen Gegenfelder bestimmten Frequenzen zu ermitteln.The evaluation unit is designed in particular to use the input signal and the output signal in order to determine a frequency-dependent reflection coefficient and a frequency at which the reflection coefficient has a minimum for each opposing field, the evaluation unit being further designed to determine the electron energy probability function on the basis of the to determine certain frequencies for the various opposing fields.

Erfindungsgemäß ist weiter ein Plasmabeschichtungssystem vorgesehen, das eine Plasmaerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Plasmas mit einem Beschichtungsmaterial, das Messsystem zum Messen von für das Plasma charakteristischen Größen und eine Steuerungseinheit zum Steuern der Plasmaerzeugungseinrichtung aufweist, wobei die Steuerungseinheit angepasst ist, die Plasmaerzeugungseinrichtung in Abhängigkeit von den gemessenen für das Plasma charakteristischen Größen zu steuern.According to the invention, a plasma coating system is also provided which has a plasma generating device for generating a plasma with a coating material, the measuring system for measuring parameters characteristic of the plasma and a control unit for controlling the plasma generating device, the control unit being adapted to the plasma generating device depending on the measured values to control quantities characteristic of the plasma.

Dies ermöglicht, das Plasma in kontrollierter Weise zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Insbesondere kann die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas an einen Beschichtungsvorgang angepasst werden, wie beispielsweise an das zu beschichtende Material, das Beschichtungsmaterial und/oder einen Grad des Fortschritts des Beschichtungsvorgangs. Das Steuern der Plasmaerzeugungseinrichtung in Abhängigkeit von den gemessenen für das Plasma charakteristischen Größen erlaubt daher die Erzeugung von Plasmabeschichtungen mit hoher Qualität. Dabei wird insbesondere ausgenutzt, dass mittels der erfindungsgemäßen Messsonde die für das Plasma charakteristischen Größen zeitaufgelöst gemessen werden können.This enables the plasma to be generated and maintained in a controlled manner. In particular, the generation and maintenance of the plasma can be adapted to a coating process, for example to the material to be coated, the coating material and / or a degree of progress in the coating process. Controlling the plasma generating device as a function of the measured values characteristic of the plasma therefore allows plasma coatings to be generated with high quality. In particular, use is made of the fact that the parameters characteristic of the plasma can be measured in a time-resolved manner by means of the measuring probe according to the invention.

Beispielsweise kann die Steuerungseinheit angepasst sein, die Plasmaerzeugungseinrichtung dazu zu veranlassen, eine das Plasma erzeugende oder erhaltende Leistung oder eine Zusammensetzung oder Gesamtmenge des im Plasmabehälter befindlichen Gases an die gemessenen für das Plasma charakteristischen Größen anzupassen.For example, the control unit can be adapted to cause the plasma generating device to adapt a power generating or maintaining the plasma or a composition or total amount of the gas located in the plasma container to the measured values characteristic of the plasma.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Messverfahren zum Messen einer für ein Plasma charakteristischen Größe vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Einführen eines Sondenkopfes einer Messsonde in das Plasma, b) Erzeugen eines elektrischen Gegenfeldes, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt, c) Erzeugen eines Eingangssignals an einer Messelektrode der Messsonde, die an dem Sondenkopf angeordnet ist, d) Empfangen eines Ausgangssignals von der Messelektrode, das indikativ für einen Grad der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma ist, und e) Bestimmen der für das Plasma charakteristischen Größe basierend auf dem Ausgangssignal. According to the invention, a measuring method for measuring a variable characteristic of a plasma is also provided, the method having the following steps: a) introducing a probe head of a measuring probe into the plasma, b) generating an opposing electric field that displaces negative charge carriers from the probe head, c) Generating an input signal at a measuring electrode of the measuring probe, which is arranged on the probe head, d) receiving an output signal from the measuring electrode which is indicative of a degree of absorption of the input signal by the plasma, and e) determining the variable characteristic of the plasma based on on the output signal.

Insbesondere kann das Messsystem ausgebildet sein, dieses Verfahren durchzuführen. Die Messsonde kann also beispielsweise erfindungsgemäß ausgebildet sein, wobei das Erzeugen des elektrischen Gegenfeldes und des Eingangssignals, das Empfangen des Ausgangssignals und das Bestimmen der für das Plasma charakteristischen Größen mittels des erfindungsgemäßen Messsystems erfolgen kann.In particular, the measuring system can be designed to carry out this method. The measuring probe can thus be designed according to the invention, for example, whereby the generation of the opposing electrical field and the input signal, the reception of the output signal and the determination of the parameters characteristic of the plasma can take place by means of the measuring system according to the invention.

Erfindungsgemäß ist zudem ein Plasmabeschichtungsverfahren vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen eines Plasmas mit einem Beschichtungsmaterial und b) Messen einer für das Plasma charakteristischen Größe.According to the invention, a plasma coating method is also provided which has the following steps: a) generating a plasma with a coating material and b) measuring a variable that is characteristic of the plasma.

Insbesondere kann das Plasmabeschichtungsverfahren mittels des Plasmabeschichtungssystems durchgeführt werden.In particular, the plasma coating method can be carried out by means of the plasma coating system.

Das Plasmabeschichtungsverfahren weist ferner ein Steuern des Erzeugens des Plasmas in Abhängigkeit von der gemessenen für das Plasma charakteristischen Größe auf. Beispielsweise kann durch Steuern, insbesondere Erhöhen, der Elektronendichte und damit des Ionisationsgrads des Plasmas eine Abscheiderate beeinflusst, insbesondere erhöht, werden. Beispielsweise kann eine das Plasma erzeugende oder erhaltende Leistung oder eine Zusammensetzung oder Gesamtmenge des im Plasmabehälter befindlichen Gases an die gemessenen für das Plasma charakteristischen Größen angepasst werden.The plasma coating method also has a control of the generation of the plasma as a function of the measured variable characteristic of the plasma. For example, by controlling, in particular increasing, the electron density and thus the degree of ionization of the plasma, a deposition rate can be influenced, in particular increased. For example, a power generating or maintaining the plasma or a composition or total amount of the gas located in the plasma container can be adapted to the measured values characteristic of the plasma.

Erfindungsgemäß ist auch ein Verwenden der dielektrischen Kappe mit der Messstruktur zur Durchführung des Messverfahrens vorgesehen.According to the invention, use of the dielectric cap with the measuring structure for carrying out the measuring method is also provided.

Es sollte verstanden werden, dass das Messsonde nach Anspruch 1, die Messstruktur .nach Anspruch 4, die dielektrische Kappe nach Anspruch 5, das Messsystem nach Anspruch 6, das Plasmabeschichtungssystem nach Anspruch 11, das Messverfahren nach Anspruch 12, das Plasmabeschichtungsverfahren nach Anspruch 13 und das Verwenden der dielektrischen Kappe nach Anspruch 14 ähnliche oder identische Ausführungsformen aufweisen, wie sie insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert sind.It should be understood that the measuring probe according to claim 1, the measuring structure according to claim 4, the dielectric cap according to claim 5, the measuring system according to claim 6, the plasma coating system according to claim 11, the measuring method according to claim 12, the plasma coating method according to claim 13 and the use of the dielectric cap according to claim 14 can have similar or identical embodiments as are particularly defined in the dependent claims.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf nachstehend genannte Figuren beschrieben.

1 bis 4 sind beispielhafte und schematische Darstellungen von Ausführungsformen der Messsonde,
5 ist eine beispielhafte und schematische Darstellung der Beweglichkeit einer Ausführungsform der Messsonde,
6 ist eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Ausführungsform des Messsystems,
7 ist eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Ausführungsform des Plasmabeschichtungssystems,
8 ist eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Ausführungsform des Messverfahrens,
9 ist eine beispielhafte und schematische Darstellung eines Modells einer Ausführungsform der Messsonde,
10 ist eine beispielhafte und schematische Darstellung eines Models einer Ausführungsform des Messsystems und
11 ist eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Ausführungsform des Plasmabeschichtungsverfahrens.

In the following, embodiments of the invention are described with reference to the figures mentioned below.

1 until 4th are exemplary and schematic representations of embodiments of the measuring probe,
5 is an exemplary and schematic representation of the mobility of an embodiment of the measuring probe,
6th is an exemplary and schematic representation of an embodiment of the measuring system,
7th is an exemplary and schematic representation of an embodiment of the plasma coating system,
8th is an exemplary and schematic representation of an embodiment of the measurement method,
9 is an exemplary and schematic representation of a model of an embodiment of the measuring probe,
10 FIG. 14 is an exemplary and schematic representation of a model of an embodiment of the measuring system and FIG
11th Figure 3 is an exemplary and schematic representation of one embodiment of the plasma coating process.

In 1 ist eine Messsonde 100 zum Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen dargestellt. Die Messsonde weist einen Sondenkörper 110 mit einem Sondenkopf 120 auf, wobei sich der Sondenkörper 110 entlang einer Längsachse der Messsonde 100 erstreckt. Der Sondenkörper 110 ist angepasst, zum Messen der für ein Plasma charakteristischen Größen mit dem Sondenkopf 120 in das Plasma eingeführt zu werden. Die in 1 dargestellte Messsonde 100 weist zudem eine Messelektrode 101 auf, die am Sondenkopf 120 angeordnet ist. Dabei stellt der Sondenkörper 110 eine elektrische Verbindung 102 zwischen der Messelektrode 101 und einem dem Sondenkörper 120 entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100 bereit. In 1 ist ebenfalls eine dielektrische Kappe 103 der Messsonde 100 dargestellt, wobei sich die dielektrische Kappe über die Messelektrode 101 erstreckt und ausgebildet ist, die Messelektrode 101 von dem Plasma abzuschließen. Die Messsonde 100 ist eingerichtet, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf 120 verdrängt.In 1 is a measuring probe 100 for measuring quantities characteristic of a plasma. The measuring probe has a probe body 110 with a probe head 120 on, with the probe body 110 along a longitudinal axis of the measuring probe 100 extends. The probe body 110 is adapted for measuring the parameters characteristic of a plasma with the probe head 120 to be introduced into the plasma. In the 1 shown measuring probe 100 also has a measuring electrode 101 on the one on the probe head 120 is arranged. The probe body represents 110 an electrical connection 102 between the measuring electrode 101 and one of the probe body 120 along the longitudinal axis opposite part of the measuring probe 100 ready. In 1 is also a dielectric cap 103 the measuring probe 100 shown with the dielectric cap over the measuring electrode 101 extends and is formed, the measuring electrode 101 complete from the plasma. The measuring probe 100 is set up to generate an opposing electric field, the negative charge carriers from the probe head 120 repressed.

Die in 1 dargestellte Messsonde 100 weist eine Gegenelektrode 104 auf, die auf der dielektrischen Kappe 103 angeordnet ist, wobei der Sondenkörper 110 eine elektrische Verbindung 105 zwischen der Gegenelektrode 104 und dem entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100 bereitstellt. Dabei ist die Messsonde 100 eingerichtet, das elektrische Gegenfeld mittels der Gegenelektrode 104 zu erzeugen.In the 1 shown measuring probe 100 has a counter electrode 104 on that on the dielectric cap 103 is arranged, the probe body 110 an electrical connection 105 between the counter electrode 104 and the part of the measuring probe opposite along the longitudinal axis 100 provides. Here is the measuring probe 100 set up the opposing electric field by means of the opposing electrode 104 to create.

Ferner weist die in 1 dargestellte Messsonde 100 ein Befestigungselement 106 auf, das an dem Sondenkörper 110 angeordnet ist, wobei das Befestigungselement 106 angepasst ist, die dielektrische Kappe 103 ablösbar an dem Sondenkörper 110 zu befestigen.Furthermore, the in 1 shown measuring probe 100 a fastener 106 on that on the probe body 110 is arranged, the fastening element 106 is adapted to the dielectric cap 103 removable on the probe body 110 to fix.

Wie in 1 dargestellt ist, können die elektrische Verbindung 102 zwischen der Messelektrode 101 und dem dem Sondenkopf 120 gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100 und auch die elektrische Verbindung 105 zwischen der Gegenelektrode 104 und dem gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100 jeweils als Koaxialkabel ausgebildet sein. Als Koaxialkabel weisen die Verbindungen 102, 105 jeweils einen Innenleiter 111, 114, eine isolierende oder dielektrische Schicht 112, 115 und eine Abschirmung 113, 116 auf. Die Abschirmung eines Koaxialkabels wird auch als Außenleiter bezeichnet und ist bevorzugt elektrisch geerdet. Die Messelektrode 101, die auch als Antenne bezeichnet werden könnte, ist in der 1 ein aus dem restlichen Koaxialkabel, das als elektrische Verbindung 102 zwischen der Messelektrode 101 und dem gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100 dient, hervorstehender Teil des Innenleiters 111 des Koaxialkabels. Ein entsprechender Teil des Innenleiters 114 des Koaxialkabels, das als elektrische Verbindung 105 zwischen der Gegenelektrode 104 und dem gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100 dient, steht ebenfalls aus dem Koaxialkabel hervor und stellt gemäß der 1 einen elektrischen Kontakt 117 mit der Gegenelektrode 104 her.As in 1 is shown, the electrical connection can 102 between the measuring electrode 101 and the probe head 120 opposite part of the measuring probe 100 and also the electrical connection 105 between the counter electrode 104 and the opposite part of the measuring probe 100 each be designed as a coaxial cable. As a coaxial cable, the connections 102 , 105 an inner conductor each 111 , 114 , an insulating or dielectric layer 112 , 115 and a shield 113 , 116 on. The shielding of a coaxial cable is also referred to as an outer conductor and is preferably electrically grounded. The measuring electrode 101 , which could also be referred to as an antenna, is in the 1 one from the rest of the coaxial cable that serves as the electrical connection 102 between the measuring electrode 101 and the opposite part of the measuring probe 100 serves, protruding part of the inner conductor 111 of the coaxial cable. A corresponding part of the inner conductor 114 of the coaxial cable used as the electrical connection 105 between the counter electrode 104 and the opposite part of the measuring probe 100 serves, also protrudes from the coaxial cable and represents according to the 1 an electrical contact 117 with the counter electrode 104 here.

Nicht in 1 zu sehen ist der dem Sondenkopf 120 entlang der Längsachse der Messsonde 100 gegenüberliegende Teil der Messsonde 100, der beispielsweise an eine Spannungsvorrichtung 201, 202 eines Messsystems 300 angeschlossen sein könnte, wobei die Spannungsvorrichtung 201, 202 je eine Spannungsquelle 201 bzw. 202 zum Anschluss an eines der Koaxialkabel aufweisen könnte.Not in 1 you can see that of the probe head 120 along the longitudinal axis of the measuring probe 100 opposite part of the measuring probe 100 , for example to a tensioning device 201 , 202 of a measuring system 300 could be connected to the voltage device 201 , 202 one voltage source each 201 or. 202 could have for connection to one of the coaxial cables.

Die in 1 gezeigte Gegenelektrode 104 ist aus einem Drahtgeflecht in Form einer Gitterelektrode gebildet, wobei das Drahtgeflecht einen verhältnismäßig geringen Feinheitsgrad aufweist und die Gitteröffnungen nur geringfügig kleiner als der Draht selbst ausgebildet sind. Beispielsweise könnte die gezeigte Gitterelektrode gleichmäßig als eine Lage auf der Außenseite der dielektrischen Kappe 103 aufliegen. Da 1 einen Längsschnitt der Messsonde 100 zeigt, entsteht der Eindruck, dass die Gegenelektrode 104 aus unverbundenen Stücken besteht, was in der Realität selbstverständlich nicht der Fall ist.In the 1 counter electrode shown 104 is formed from a wire mesh in the form of a grid electrode, the wire mesh having a relatively low degree of fineness and the grid openings are only slightly smaller than the wire itself. For example, the grid electrode shown could be uniform as a layer on the outside of the dielectric cap 103 rest. There 1 a longitudinal section of the measuring probe 100 shows, the impression is created that the counter electrode 104 consists of unconnected pieces, which of course is not the case in reality.

In einer Ausführungsform gemäß der 1 ist das Befestigungselement 106 bevorzugt angepasst, durch Befestigen der dielektrischen Kappe 103 einen Dunkelraum für die Messelektrode 101 zu schaffen. Gemäß 1 kann also ein Dunkelraum im Inneren der dielektrischen Kappe 103, das heißt in einem räumlichen Bereich erzeugt werden, der von dem Koaxialkabel, dem Befestigungselement 106 und der Innenseite der dielektrischen Kappe 103 begrenzt ist. Der Dunkelraum ist insbesondere nicht vakuumfest verschlossen, so dass grundsätzlich Plasma in den Dunkelraum eindringen kann. Das in den Dunkelraum eindringende Plasma weist aber nicht die nötige kinetische Energie auf, um sich zu entzünden. In dem Dunkelraum kann beispielsweise ein Vakuum der gleichen Qualität, also beispielsweise mit dem gleichen Druck, wie außerhalb der dielektrischen Kappe 103, insbesondere in dem Plasma, herrschen.In one embodiment according to 1 is the fastener 106 preferably adapted by attaching the dielectric cap 103 a dark room for the measuring electrode 101 to accomplish. According to 1 so can a dark room inside the dielectric cap 103 , that is to say in a spatial area that is created by the coaxial cable, the fastening element 106 and the inside of the dielectric cap 103 is limited. In particular, the dark room is not closed in a vacuum-tight manner, so that in principle plasma can penetrate into the dark room. However, the plasma that penetrates the dark room does not have the kinetic energy required to ignite. In the dark room, for example, a vacuum of the same quality, that is to say for example with the same pressure, as outside the dielectric cap can be used 103 , especially in the plasma.

Die Gegenelektrode 104 gemäß der 1 ist von der dielektrischen Kappe 103 ablösbar. Sie liegt also nur auf der Außenseite der dielektrischen Kappe 103 auf und ist nicht etwa fest mit dieser verbunden, wie beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern, was in anderen Ausführungsformen durchaus möglich ist.The counter electrode 104 according to the 1 is from the dielectric cap 103 removable. So it is only on the outside of the dielectric cap 103 and is not firmly connected to it, for example by vapor deposition or sputtering, which is entirely possible in other embodiments.

2 zeigt eine Ausführungsform der Messsonde, die sich von der in 1 dargestellten unterscheidet. Zu sehen ist eine Messsonde 100' mit einem Sondenkörper 110' und einem Sondenkopf 120', wobei sich der Sondenkörper 110' entlang einer Längsachse der Messsonde 100' erstreckt und angepasst ist, zum Messen der für ein Plasma charakteristischen Größen mit dem Sondenkopf 120' in das Plasma eingeführt zu werden. Die Messsonde 100' weist zudem eine Messelektrode 101' auf, die am Sondenkopf 120' angeordnet ist, wobei der Sondenkörper 110' eine elektrische Verbindung 102' zwischen der Messelektrode 101' und einem dem Sondenkopf 120' entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100' bereitstellt. Auch weist die Messsonde 100' eine dielektrische Kappe 103' auf, die sich über die Messelektrode 101' erstreckt und ausgebildet ist, die Messelektrode 101' von dem Plasma abzuschließen. Die Messsonde 100' ist ebenfalls eingerichtet, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf 120' verdrängt. Hinsichtlich des Sondenkopfes 120, 120', der Messelektrode 101, 101' und der dielektrischen Kappe 103, 103' sind die Messsonden 100, 100' gemäß den 1 und 2 ähnlich oder identisch ausgebildet. Beispielsweise ist auch die Verbindung 102' als Koaxialkabel mit einem Innenleiter 111', einer isolierenden oder dielektrischen Schicht 112' und einer Abschirmung 113' ausgebildet. Die Messsonde 100' unterscheidet sich aber von der in 1 gezeigten Messsonde 100 beispielsweise darin, dass die Gegenelektrode 104' im Inneren der dielektrischen Kappe 103' angeordnet ist. Zudem ist die Gegenelektrode 104' der in 2 gezeigten Messsonde 100' als ein um die Längsachse der Messsonde 100' zentriert angeordneter Ring ausgebildet. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Messsonde 100 weist der Sondenkörper 110' der Messsonde 100' des Weiteren eine Kragenschicht 107' auf, die der dielektrischen Kappe 103' zugewandt ist, wobei die Kragenschicht 107' eine Dicke aufweist, die einen äußeren Querschnitt des Sondenkörpers 110' an einen inneren Querschnitt der dielektrischen Kappe 103' angleicht. Die Kragenschicht 107' ist in 2 eine äußere Schicht des Sondenkörpers 110', die das Koaxialkabel zur Messelektrode 101' bis unterhalb des Sondenkopfes 120' umgibt. Die Gegenelektrode 104' muss nicht zwingend an der Innenseite der dielektrischen Kappe 103' befestigt sein, sondern kann auch in die Kragenschicht 107' eingelassen sein. Nicht in 2 zu sehen ist die elektrische Verbindung 105 zur Gegenelektrode 104'. Diese kann in dem dargestellten Fall in die Kragenschicht 107' eingelassen sein. Beispielsweise kann die elektrische Verbindung 105 als ein Koaxialkabel ausgebildet sein, das sich entlang einer Bohrung in der Kragenschicht erstreckt, wobei die Bohrung parallel zur Längsachse des Sondenkörpers verlaufen kann. Besteht die Kragenschicht 107' aus einem elektrisch leitenden Material, kann dann die Kragenschicht 107' vorzugsweise als Abschirmung des Koaxialkabels dienen, das die elektrische Verbindung 105 zur Gegenelektrode 104' bildet. 2 shows an embodiment of the measuring probe, which differs from that in 1 shown differs. You can see a measuring probe 100 ' with a probe body 110 ' and a probe head 120 ' , with the probe body 110 ' along a longitudinal axis of the measuring probe 100 ' extends and is adapted for measuring the quantities characteristic of a plasma with the probe head 120 ' to be introduced into the plasma. The measuring probe 100 ' also has a measuring electrode 101 ' on the one on the probe head 120 ' is arranged, the probe body 110 ' an electrical connection 102 ' between the measuring electrode 101 ' and one the probe head 120 ' along the longitudinal axis opposite part of the measuring probe 100 ' provides. Also has the measuring probe 100 ' a dielectric cap 103 ' on, which is located over the measuring electrode 101 ' extends and is formed, the measuring electrode 101 ' complete from the plasma. The measuring probe 100 ' is also set up to generate an opposing electric field that removes negative charge carriers from the probe head 120 ' repressed. With regard to the probe head 120 , 120 ' , the measuring electrode 101 , 101 ' and the dielectric cap 103 , 103 ' are the measuring probes 100 , 100 ' according to the 1 and 2 designed similarly or identically. For example, the connection is also 102 ' as a coaxial cable with an inner conductor 111 ' , an insulating or dielectric layer 112 ' and a shield 113 ' educated. The measuring probe 100 ' but differs from the in 1 shown measuring probe 100 for example that the counter electrode 104 ' inside the dielectric cap 103 ' is arranged. In addition, is the counter electrode 104 ' the in 2 shown measuring probe 100 ' than one around the longitudinal axis of the measuring probe 100 ' centered ring formed. In contrast to the in 1 shown measuring probe 100 points the probe body 110 ' the measuring probe 100 ' furthermore a collar layer 107 ' on that of the dielectric cap 103 ' facing, the collar layer 107 ' has a thickness that corresponds to an outer cross section of the probe body 110 ' to an inner cross section of the dielectric cap 103 ' aligns. The collar layer 107 ' is in 2 an outer layer of the probe body 110 ' that connects the coaxial cable to the measuring electrode 101 ' to below the probe head 120 ' surrounds. The counter electrode 104 ' does not necessarily have to be on the inside of the dielectric cap 103 ' be attached, but can also be in the collar layer 107 ' be let in. Not in 2 you can see the electrical connection 105 to the counter electrode 104 ' . This can in the case shown in the collar layer 107 ' be let in. For example, the electrical connection 105 be designed as a coaxial cable which extends along a bore in the collar layer, wherein the bore can run parallel to the longitudinal axis of the probe body. Passes the collar layer 107 ' made of an electrically conductive material, the collar layer can then 107 ' preferably serve as a shield for the coaxial cable that makes the electrical connection 105 to the counter electrode 104 ' forms.

3 zeigt eine Messsonde 100'' mit einem Sondenkörper 110'', einem Sondenkopf 120'' des Sondenkörpers 110'', einer Messelektrode 101'' und einer dielektrischen Kappe 103'', hinsichtlich derer sich die Messsonde 100'' von der in 2 gezeigten Messsonde 100' kaum oder gar nicht unterscheidet. Allerdings weist die in 3 gezeigte Messsonde 100'' keine Gegenelektrode auf, wie sie beispielsweise in 2 als ringförmige Gegenelektrode 104' gezeigt ist. Dennoch ist die in 3 gezeigte Messsonde 100' eingerichtet, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf 120'' verdrängt. Insbesondere kann das Gegenfeld an der Messelektrode 101'' selbst erzeugt werden, beispielsweise durch Beaufschlagen der Messelektrode 101'' mit einer Spannung über die elektrische Verbindung 102'', also beispielsweise über das Koaxialkabel mit dem Innenleiter 111'', der isolierenden oder dielektrischen Schicht 112'' und der Abschirmung 113''. Das Beaufschlagen mit einer geeigneten Spannung kann beispielsweise durch eine Spannungsvorrichtung 201, 202 geschehen, mit der die Messsonde 100'' an ihrem dem Sondenkopf 120'' gegenüberliegenden Teil verbunden ist. Die Messsonden 100', 100'' der 2 und 3 haben gemeinsam, dass sich ein Dunkelraum allein im Bereich des Sondenkopfes 120', 120'', das heißt der Messelektrode 101', 101'', durch einen Formschluss der dielektrischen Kappe 103', 103'' und der Kragenschicht 107', 107'' bilden kann. Auf ein Befestigungselement 106, wie es in 1 gezeigt ist, kann demnach in Gegenwart einer Kragenschicht 107, 107' verzichtet werden. Insbesondere kann der von der Kragenschicht 107', 107'' mit der dielektrischen Kappe 103', 103'' erreichte Formschluss bereits für eine ausreichende Befestigung der dielektrischen Kappe 103', 103'' an dem Sondenkörper 120', 120'' sorgen. Dies ist allerdings nicht zwingend. Insbesondere kann auch eine Kragenschicht 107, 107' gemeinsam mit einem Befestigungselement 106 vorgesehen sein. 3 shows a measuring probe 100 '' with a probe body 110 '' , a probe head 120 '' of the probe body 110 '' , a measuring electrode 101 '' and a dielectric cap 103 '' , with regard to which the measuring probe 100 '' from the in 2 shown measuring probe 100 ' little or no difference. However, the in 3 shown measuring probe 100 '' does not have a counter electrode, for example in 2 as a ring-shaped counter electrode 104 ' is shown. Still, the in 3 shown measuring probe 100 ' set up to generate an opposing electric field, the negative charge carriers from the probe head 120 '' repressed. In particular, the opposing field on the measuring electrode 101 '' are generated themselves, for example by applying the measuring electrode 101 '' with a voltage across the electrical connection 102 '' , for example via the coaxial cable with the inner conductor 111 '' , the insulating or dielectric layer 112 '' and the shield 113 '' . The application of a suitable voltage can, for example, by means of a tensioning device 201 , 202 happen with the measuring probe 100 '' on her the probe head 120 '' opposite part is connected. The measuring probes 100 ' , 100 '' the 2 and 3 have in common that there is a dark room alone in the area of the probe head 120 ' , 120 '' , that is, the measuring electrode 101 ' , 101 '' , by a form fit of the dielectric cap 103 ' , 103 '' and the collar layer 107 ' , 107 '' can form. On a fastener 106 as it is in 1 is shown, therefore, in the presence of a collar layer 107 , 107 ' be waived. In particular, that of the collar layer 107 ' , 107 '' with the dielectric cap 103 ' , 103 '' form fit already achieved for a sufficient fastening of the dielectric cap 103 ' , 103 '' on the probe body 120 ' , 120 '' ensure, to care. However, this is not mandatory. In particular, a collar layer can also be used 107 , 107 ' together with a fastening element 106 be provided.

4 zeigt eine erfindungsgemäße Messsonde 100''', die hinsichtlich ihres Sondenkörpers 110''', des Sondenkopfes 120''' des Sondenkörpers 110'', der Messelektrode 101''', der elektrischen Verbindung 102''' zwischen der Messelektrode 101''' und dem dem Sondenkopf 120''' entlang der Längsachse der Messsonde 100''' gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100''' und der dielektrischen Kappe 103''' den mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebenen Messsonden 100, 100', 100'' entspricht. Auch die Messsonde 100''' ist eingerichtet, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf 120''' verdrängt. 4th shows a measuring probe according to the invention 100 ''' in terms of their probe body 110 ''' , of the probe head 120 ''' of the probe body 110 '' , the measuring electrode 101 ''' , the electrical connection 102 ''' between the measuring electrode 101 ''' and the probe head 120 ''' along the longitudinal axis of the measuring probe 100 ''' opposite part of the measuring probe 100 ''' and the dielectric cap 103 ''' the one with reference to the 1 until 3 described measuring probes 100 , 100 ' , 100 '' is equivalent to. Also the measuring probe 100 ''' is set up to generate an opposing electric field, the negative charge carriers from the probe head 120 ''' repressed.

4 dient insbesondere zur Veranschaulichung erfindungsgemäßer Ausführungsformen, in denen der Sondenkörper 110, 110', 110'', 110''' in einem Bereich, der sich in Längsrichtung an die dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' anschließt, eine isolierende Mantelschicht 108''' aufweist. Die in 4 gezeigte isolierende Mantelschicht 108''' weist eine Dicke auf, die den Bereich, der sich in Längsrichtung an die dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' anschließt, in seinem äußeren Querschnitt an den äußeren Querschnitt der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' angleicht. Das auf diese Weise erreichbare stufenlose Äußere der Messsonde 100''' kann prinzipiell auch in Gegenwart eines Befestigungselements 106 erreicht werden, wenn das Befestigungselement 106 in seiner Anordnung und Geometrie entsprechend angepasst ist. 4th serves in particular to illustrate embodiments according to the invention in which the probe body 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' in an area that extends longitudinally to the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' adjoins, an insulating jacket layer 108 ''' having. In the 4th insulating sheath layer shown 108 ''' has a thickness that corresponds to the area that extends longitudinally to the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' connects, in its outer cross section to the outer cross section of the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' aligns. The stepless exterior of the measuring probe that can be reached in this way 100 ''' can in principle also in the presence of a fastening element 106 can be achieved when the fastener 106 is adapted accordingly in its arrangement and geometry.

Allen mit Bezug auf 1 bis 4 beschriebenen Messsonden 100, 100', 100'', 100''' ist gemeinsam, dass sie bezüglich ihrer Längsachse zylindersymmetrisch ausgebildet sind, wobei die dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' ein kuppelförmiges Kopfende mit einem U-förmigen Längsschnitt aufweist. Die dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' ist also bevorzugt ebenfalls zylindersymmetrisch ausgebildet und beispielsweise an der Längsachse der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' zentriert angeordnet.All related to 1 until 4th described measuring probes 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' What is common is that they are designed to be cylindrically symmetrical with respect to their longitudinal axis, the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' has a dome-shaped head end with a U-shaped longitudinal section. The dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' is therefore also preferred Cylindrical symmetry and for example on the longitudinal axis of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' centered.

Es versteht sich, dass die in 1 bis 4 dargestellten Messsonden 100, 100', 100'', 100''' auch als Kombination aus der jeweiligen Messsonde 100, 100', 100'', 100''' ohne dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' und der entsprechenden dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' betrachtet werden könnten. Nach dieser Betrachtungsweise sind die dargestellten Messsonden bevorzugt Messstrukturen 110, 110', 110'', 110''', 101, 101', 101'', 101''', das heißt Messstrukturen, die hinsichtlich des Sondenkörpers 110, 110', 110'', 110''', des Sondenkopfes 120, 120', 120'', 120''' des Sondenkörpers 110, 110', 110'', 110''', der Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' und der elektrischen Verbindung 102, 102', 102'', 102''' zwischen der Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' und dem dem Sondenkopf 120, 120', 120'', 120''' entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' entsprechen, wobei die Messstruktur 110, 110', 110'', 110''', 101, 101', 101'', 101''' jeweils eingerichtet sind, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf verdrängt, und wobei der Sondenkörper 110, 110', 110'', 110''' ausgebildet ist, eine dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' derart aufzunehmen, dass sie sich nach der Aufnahme über die Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' erstreckt und die Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' von dem Plasma abschließt. Nach der gleichen Betrachtungsweise stellen 1 bis 4 auch eine dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' zur Verwendung mit einer Messstruktur 110, 110', 110'', 110''', 101, 101', 101'', 101''' dar, wobei die dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' ausgebildet ist, derart von dem Sondenkörper 110, 110', 110'', 110''' aufgenommen zu werden, dass sich die dielektrische Kappe 103, 103', 103'', 103''' über die Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' erstreckt und die Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' von dem Plasma abschließt. Ebenfalls könnten 1 bis 4 als Darstellung des Verwendens einer solchen dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' mit einer entsprechenden Messstruktur 110, 110', 110'', 110''', 101, 101', 101'', 101''' verstanden werden.It goes without saying that the in 1 until 4th shown measuring probes 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' also as a combination of the respective measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' without dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' and the corresponding dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' could be viewed. According to this approach, the measuring probes shown are preferably measuring structures 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' , 101 , 101 ', 101 '' , 101 ''' , that is to say, measuring structures with regard to the probe body 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' , of the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' of the probe body 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' , the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' and the electrical connection 102 , 102 ' , 102 '' , 102 ''' between the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' and the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' along the longitudinal axis opposite part of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' correspond to the measurement structure 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' , 101 , 101 ', 101 '' , 101 ''' are each set up to generate an opposing electrical field that displaces negative charge carriers from the probe head, and wherein the probe body 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' is formed, a dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' in such a way that after the recording it is over the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' extends and the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' from the plasma. Ask according to the same point of view 1 until 4th also a dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' for use with a measuring structure 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' , 101 , 101 ', 101 '' , 101 ''' represent, the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' is formed in such a way from the probe body 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' to be added that is the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' via the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' extends and the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' from the plasma. Also could 1 until 4th illustrating the use of such a dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' with a corresponding measurement structure 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' , 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' be understood.

5 veranschaulicht, dass die elektrische Verbindung 102', 102'' zwischen der Messelektrode 101', 101'' und dem entlang der Längsachse gegenüberliegenden Teil der Messsonde 100', 100'' flexibel oder halbstarr ausgebildet sein kann. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die elektrische Verbindung 102', 102'' ein flexibles oder halbstarres Koaxialkabel, das auf zwei unterschiedliche Weisen aus seiner Orientierung entlang der Längsachse heraus verbogen ist. Der Sondenkörper 110', 110'', über dessen Kragenschicht 107, 107'' sich die dielektrische Kappe 103', 103'' erstreckt, weist entsprechende Orientierungen auf. Der Sondenkopf 120', 120'' und damit die Messelektrode 101, 101'' können also durch eine flexible oder halbstarre Ausbildung der elektrischen Verbindung 102', 102'' auf einfache Weise in unterschiedliche Messpositionen gebracht werden. Ebenfalls in 5 gezeigt ist die elektrische Verbindung 210 der Messsonde 110', 110'' zum Anschluss einer Spannungsvorrichtung 201, 202, einer Signalempfangseinheit 203 und einer Auswerteeinheit 204. 5 that illustrates the electrical connection 102 ' , 102 '' between the measuring electrode 101 ' , 101 '' and the part of the measuring probe opposite along the longitudinal axis 100 ' , 100 '' can be flexible or semi-rigid. In the in 5 The embodiment shown is the electrical connection 102 ' , 102 '' a flexible or semi-rigid coaxial cable that is bent out of its orientation along the longitudinal axis in two different ways. The probe body 110 ' , 110 '' , over its collar layer 107 , 107 '' the dielectric cap 103 ' , 103 '' extends, has corresponding orientations. The probe head 120 ' , 120 '' and with it the measuring electrode 101 , 101 '' can therefore through a flexible or semi-rigid design of the electrical connection 102 ' , 102 '' can be easily brought into different measuring positions. Also in 5 the electrical connection is shown 210 the measuring probe 110 ' , 110 '' for connecting a voltage device 201 , 202 , a signal receiving unit 203 and an evaluation unit 204 .

6 zeigt ein Messsystem 300 zum Messen von für ein Plasma charakteristischen Größen. In dem in 6 dargestellten Fall weist das Messsystem 300 eine Messsonde 100''' auf, wie sie in 4 gezeigt ist. Das Messsystem 300 weist zudem eine Spannungsvorrichtung 201, 202, eine Signalempfangseinheit 203 und eine Auswerteeinheit 204 auf. Die Spannungsvorrichtung 201, 202 ist eingerichtet, ein Eingangssignal und ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, wobei die Spannungsvorrichtung 201, 202 über eine elektrische Verbindung 210 mit der Messsonde 100''' zum Erzeugen des Eingangssignals mit der Messelektrode 101''' verbunden ist. Die Signalempfangseinheit 203 ist eingerichtet, ein Ausgangssignal zu empfangen, wobei die Signalempfangseinheit 203 über die elektrische Verbindung 210 mit der Messsonde zum Empfangen des Ausgangssignals mit der Messelektrode 101''' verbunden ist. Die Auswerteeinheit 204 ist eingerichtet, die für das Plasma charakteristischen Größen basierend auf dem Ausgangssignal zu bestimmen. 6th shows a measuring system 300 for measuring quantities characteristic of a plasma. In the in 6th the case shown, the measuring system 300 a measuring probe 100 ''' on how they in 4th is shown. The measuring system 300 also has a tensioning device 201 , 202 , a signal receiving unit 203 and an evaluation unit 204 on. The tension device 201 , 202 is set up to generate an input signal and an opposing electrical field, wherein the voltage device 201 , 202 via an electrical connection 210 with the measuring probe 100 ''' to generate the input signal with the measuring electrode 101 ''' connected is. The signal receiving unit 203 is set up to receive an output signal, wherein the signal receiving unit 203 via the electrical connection 210 with the measuring probe for receiving the output signal with the measuring electrode 101 ''' connected is. The evaluation unit 204 is set up to determine the quantities characteristic of the plasma based on the output signal.

Die Spannungsvorrichtung 201, 202 des Messsystems 300 ist bevorzugt angepasst, das Eingangssignal hochfrequent bereitzustellen und das elektrische Gegenfeld niederfrequent oder konstant bereitzustellen. In 6 ist gezeigt, dass die Spannungsvorrichtung dazu beispielsweise eine erste Spannungsquelle 201 und eine zweite Spannungsquelle 202 aufweisen kann, wobei die erste Spannungsquelle 201 angepasst ist, das Eingangssignal zu erzeugen, und wobei die zweite Spannungsquelle 202 angepasst ist, das elektrische Gegenfeld zu erzeugen. In dem in 6 dargestellten Messsystem 300 ist die erste Spannungsquelle 201, die Signalempfangseinheit 203 und die Auswerteeinheit 204 in Form eines Netzwerkanalysators, speziell eines vektoriellen Netzwerkanalysators (VNA), ausgebildet, wobei die zweite Spannungsquelle 202 gemäß 6 nicht Teil des Netzwerkanalysators ist.The tension device 201 , 202 of the measuring system 300 is preferably adapted to provide the input signal at high frequency and to provide the opposing electric field at low frequency or constant. In 6th it is shown that the voltage device for this purpose, for example, has a first voltage source 201 and a second voltage source 202 may have, wherein the first voltage source 201 is adapted to generate the input signal, and wherein the second voltage source 202 is adapted to generate the opposing electric field. In the in 6th shown measuring system 300 is the first voltage source 201 , the signal receiving unit 203 and the evaluation unit 204 in the form of a network analyzer, specifically a vector network analyzer (VNA), the second voltage source 202 according to 6th is not part of the network analyzer.

Wie ebenfalls in 6 gezeigt ist, kann das Messsystem 300 einen Hochpassfilter 205 zum Filtern des Ausgangssignals aufweisen. Ein solcher kann beispielsweise zwischen der ersten Signalquelle 201 und der zweiten Signalquelle 202 angeordnet sein.As also in 6th is shown, the measuring system 300 a high pass filter 205 for filtering the output signal. Such a can for example between the first signal source 201 and the second signal source 202 be arranged.

In dem in 6 gezeigten Messsystem 300 ist die zweite Spannungsquelle 202 der Spannungsvorrichtung 201, 202 angepasst, das elektrische Gegenfeld über die elektrische Verbindung 210 mit der Messsonde 100''' an der Messelektrode 101''' zu erzeugen. Wäre die Messsonde gemäß einer von 1 bis 3 ausgebildet, das heißt, wiese sie insbesondere eine von der Messelektrode 101''' verschiedene Gegenelektrode 104, 104' auf, könnte das elektrische Gegenfeld ebenfalls über die elektrische Verbindung 210 mit der Messsonde erzeugt werden, wobei das Gegenfeld dann an der Gegenelektrode 104 erzeugt werden könnte.In the in 6th shown measuring system 300 is the second voltage source 202 the tensioning device 201 , 202 adapted to the opposing electrical field via the electrical connection 210 with the measuring probe 100 ''' at the measuring electrode 101 ''' to create. If the measuring probe were according to one of 1 until 3 formed, that is, if they had in particular one of the measuring electrode 101 ''' different counter electrode 104 , 104 ' on, the opposing electric field could also use the electrical connection 210 can be generated with the measuring probe, with the opposing field then at the opposing electrode 104 could be generated.

Ein Messsystem 300, wie es in 6 gezeigt ist, kann zum hochohmigen Messen und zum niederohmigen Messen angepasst sein. Beispielsweise ist denkbar, dass das Messsystem 300 hierzu eine Widerstandsregelungseinheit zum Regeln eines Widerstands, insbesondere einer Impedanz, des Messsystems 300 aufweist.A measuring system 300 as it is in 6th shown can be adapted for high-resistance measurement and for low-resistance measurement. For example, it is conceivable that the measuring system 300 for this purpose, a resistance control unit for controlling a resistance, in particular an impedance, of the measuring system 300 having.

Das Messsystem 300 kann insbesondere angepasst sein, als die für das Plasma charakteristischen Größen zumindest eine Größe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Elektronendichte, Ionendichte, zeitlicher Verlauf des Plasmapotentials, zeitlicher Verlauf des Floating-Potentials und Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion zu bestimmen.The measuring system 300 can in particular be adapted to determine at least one variable selected from the group consisting of electron density, ion density, temporal progression of the plasma potential, temporal progression of the floating potential and electron energy probability function as the quantities characteristic of the plasma.

Zum Messen der Elektronendichte kann die Spannungsvorrichtung 201, 202 angepasst sein, während eines Messzeitraums zum Messen der Elektronendichte das Eingangssignal mit variierender Frequenz zu erzeugen und kein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, wobei die Signalempfangseinheit 203 angepasst sein kann, während des Messzeitraums das Ausgangssignal aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit 204 angepasst sein kann, die Elektronendichte auf Basis des Eingangssignals und des Ausgangssignals zu bestimmen. Insbesondere kann die Messsonde als Plasmaabsorptionssonde verwendet werden.To measure the electron density, the voltage device 201 , 202 be adapted to generate the input signal with a varying frequency during a measurement period for measuring the electron density and not to generate an opposing electrical field, the signal receiving unit 203 can be adapted to record the output signal during the measurement period, the evaluation unit 204 can be adapted to determine the electron density on the basis of the input signal and the output signal. In particular, the measuring probe can be used as a plasma absorption probe.

Zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Plasmapotentials kann die Signalempfangseinheit 203 des Messsystems 300 angepasst sein, während eines Messzeitraums zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Plasmapotentials das Ausgangssignal hochohmig aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit 204 angepasst sein kann, den zeitlichen Verlauf des Plasmapotentials auf Basis des hochohmig aufgenommenen Ausgangssignals zu bestimmen. Zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Floating-Potentials kann die Signalempfangseinheit 203 andererseits angepasst sein, während eines Messzeitraums zum Messen des zeitlichen Verlaufs des Floating-Potentials das Ausgangssignal niederohmig aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit 204 angepasst sein kann, den zeitlichen Verlauf des Floating-Potentials auf Basis des niederohmig aufgenommenen Ausgangssignals zu bestimmen.To measure the course of the plasma potential over time, the signal receiving unit 203 of the measuring system 300 be adapted to record the output signal at high resistance during a measurement period for measuring the time profile of the plasma potential, the evaluation unit 204 can be adapted to determine the time course of the plasma potential on the basis of the high-resistance recorded output signal. To measure the course of the floating potential over time, the signal receiving unit 203 on the other hand, be adapted to record the output signal with low resistance during a measurement period for measuring the time profile of the floating potential, the evaluation unit 204 can be adapted to determine the time course of the floating potential on the basis of the low-resistance recorded output signal.

Die Messsonde kann also auf unterschiedliche Weisen als kapazitive Messsonde eingesetzt werden.The measuring probe can therefore be used as a capacitive measuring probe in different ways.

Zum Messen der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion kann die Spannungsvorrichtung 201, 202 und die Signalempfangseinheit 203 des Messsystems 300 angepasst sein, für unterschiedliche Gegenfelder das Eingangssignal mit variierender Frequenz zu erzeugen und das Ausgangssignal aufzunehmen, wobei die Auswerteeinheit 204 angepasst sein kann, die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion auf Basis der für die unterschiedlichen Gegenfelder erzeugten Eingangssignale und der für die unterschiedlichen Gegenfelder aufgenommenen Ausgangssignale zu bestimmen.To measure the electron energy probability function, the voltage device 201 , 202 and the signal receiving unit 203 of the measuring system 300 be adapted to generate the input signal with varying frequency for different opposing fields and to record the output signal, the evaluation unit 204 can be adapted to determine the electron energy probability function on the basis of the input signals generated for the different opposing fields and the output signals recorded for the different opposing fields.

7 zeigt ein Plasmabeschichtungssystem 500 mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung 400 zum Erzeugen eines Plasmas mit einem Beschichtungsmaterial und einem Messsystem 300 zum Messen von für das Plasma charakteristischen Größen, wie es beispielsweise in 6 dargestellt ist. Die Plasmaerzeugungseinrichtung 400 weist eine Anregungselektrode 401 auf, die über eine Anpassungsschaltung 402 mit einer kapazitiven Hochfrequenz-Energiequelle 403 elektrisch verbunden ist. In der Schnittdarstellung von 7 hat die Anregungselektrode 401 die Form eines eckigen Us, wobei sich die Anregungselektrode 401 zudem in der zur Schnittebene orthogonalen Richtung erstreckt. Wird die Anregungselektrode 401 mit einer Anregungsspannung von beispielsweise 13,56 MHz bei einer Leistung von beispielsweise 2300 W beaufschlagt, kann sich im Inneren des Plasmabehälters 410 ein Plasma bilden. Als eine Gegenelektrode für die Anregungselektrode 401 zur Erzeugung des Plasmas dienen die Tür 411, die der Tür 411 gegenüberliegende und in 7 nicht dargestellte Rückwand des Plasmabehälters 410 und ein im oberen Teil des Behälterinnenraums angeordnetes Gitter 407. Die so zusammengesetzte Gegenelektrode für die Anregungselektrode 401 weist, wenn die Tür 411 des Plasmabehälters 410 geschlossen ist, ebenfalls die Form eines eckigen Us mit entsprechender Tiefe auf, wobei die Gegenelektrode bezüglich einer Vertikalachse des Plasmabehälters 410 um 45° gegenüber der Anregungselektrode 401 verdreht ist. Auf diese Weise wird eine symmetrische Elektrodenanordnung zur Erzeugung des Plasmas erreicht. Die Tür 411 sowie die Rückwand des Plasmabehälters 410 und das Gitter 407 sind bevorzugt geerdet. Die Anpassungsschaltung 402 dient dazu, den ungleichmäßigen Widerstand des Plasmas zu kompensieren und gleichzeitig dazu, die Hochfrequenz-Energiequelle 403 vor zurückgestreuter Leistung zu schützen. Der Plasmabehälter 410, speziell die Anregungselektrode 401, ist über eine Vakuum-Stromdurchführung 404 mit der Anpassungsschaltung 402 und damit indirekt mit der Hochfrequenz-Energiequelle 403 verbunden. Die Anregungselektrode 401 ist durch eine Isolierung 405 von der Außenwand des Plasmabehälters 410 isoliert. Der Druck im Innenraum des Plasmabehälters 410 wird über ein Ventil 406 gesteuert, über das Gas aus dem Inneren des Plasmabehälters 410 entweichen kann. Das Ventil 406 kann beispielsweise eine Absperrklappe aufweisen. Das Gitter 407 verhindert, dass brennendes Plasma durch das Ventil 406 entweichen kann. In das Innere des Plasmabehälters 410 gelangt Gas über eine Zuleitung 408. 7th shows a plasma coating system 500 with a plasma generating device 400 for generating a plasma with a coating material and a measuring system 300 for measuring parameters characteristic of the plasma, as it is, for example, in 6th is shown. The plasma generating device 400 has an excitation electrode 401 on that via a matching circuit 402 with a high frequency capacitive energy source 403 is electrically connected. In the sectional view of 7th has the excitation electrode 401 the shape of a square Us, with the excitation electrode 401 also extends in the direction orthogonal to the cutting plane. Becomes the excitation electrode 401 If an excitation voltage of, for example, 13.56 MHz is applied at a power of, for example, 2300 W, it can become inside the plasma container 410 form a plasma. As a counter electrode for the excitation electrode 401 the door is used to generate the plasma 411 that the door 411 opposite and in 7th not shown rear wall of the plasma container 410 and a grid arranged in the upper part of the interior of the container 407 . The thus assembled counter-electrode for the excitation electrode 401 knows when the door 411 of the plasma container 410 is closed, also has the shape of an angular Us with a corresponding depth, the counter electrode with respect to a vertical axis of the plasma container 410 by 45 ° compared to the excitation electrode 401 is twisted. In this way, a symmetrical electrode arrangement for generating the plasma is achieved. The door 411 as well as the rear wall of the plasma container 410 and the grille 407 are preferably earthed. The matching circuit 402 serves to compensate for the uneven resistance of the plasma and at the same time to serve as the high-frequency energy source 403 to protect against backscattered performance. The plasma container 410 , especially the excitation electrode 401 , is via a vacuum power feedthrough 404 with the matching circuit 402 and thus indirectly with the high-frequency energy source 403 connected. The excitation electrode 401 is through insulation 405 from the outside wall of the plasma container 410 isolated. The pressure in the interior of the plasma container 410 is via a valve 406 controlled, via the gas from inside the plasma container 410 can escape. The valve 406 can for example have a butterfly valve. The grid 407 prevents burning plasma from passing through the valve 406 can escape. Inside the plasma container 410 gas arrives via a supply line 408 .

Um mittels der Plasmaerzeugungseinrichtung 400 ein beschichtendes Plasma zu erzeugen, kann das Innere des Plasmabehälters 410 beispielsweise zunächst auf einen Druck von 1,0 Pa (Pascal) evakuiert werden und dann Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und Sauerstoff (O₂) in einem Verhältnis von HMDSO zu O₂ von 1,73 zugeführt werden, wobei der Druck im Inneren des Plasmabehälters während des Beschichtungsprozesses auf 1,2 Pa gehalten werden kann. Die Verwendung von HMDSO kann der Bildung von Plasmapolymerschichten dienen. Statt HMDSO könnte aber auch Argon (Ar) verwendet werden. Das zu beschichtende Material kann dabei beispielsweise über eine Öffnung 412 in der Tür 411 des Plasmabehälters 410 in das Innere des Plasmabehälters 410 eingeführt werden. Eine weitere Öffnung 413 in der Tür 411 des Plasmabehälters 410 kann vorgesehen sein, um eine Messsonde in das Innere des Plasmabehälters 410 einzuführen. Die über die Öffnung 413 eingeführte Messsonde kann insbesondere eine bekannte Messsonde, wie beispielsweise eine Langmuir-Sonde sein. Über eine Öffnung in der Rückwand des Plasmabehälters 410 kann die Messsonde 100, 100', 100'', 100''' dann beispielsweise in das Innere des Plasmabehälters 410 eingeführt sein.To by means of the plasma generating device 400 The interior of the plasma container can generate a coating plasma 410 for example first evacuated to a pressure of 1.0 Pa (Pascal) and then hexamethyldisiloxane (HMDSO) and oxygen (O ₂ ) in a ratio of HMDSO to O ₂ of 1.73, the pressure inside the plasma container during of the coating process can be kept at 1.2 Pa. The use of HMDSO can serve to form plasma polymer layers. Instead of HMDSO, however, argon (Ar) could also be used. The material to be coated can for example be via an opening 412 in the door 411 of the plasma container 410 into the interior of the plasma container 410 to be introduced. Another opening 413 in the door 411 of the plasma container 410 can be provided to insert a measuring probe into the interior of the plasma container 410 to introduce. The one over the opening 413 The inserted measuring probe can in particular be a known measuring probe, such as a Langmuir probe. Via an opening in the back wall of the plasma container 410 can the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' then, for example, into the interior of the plasma container 410 be introduced.

In 7 ist auch dargestellt, dass das Plasmabeschichtungssystem 500 eine Steuerungseinheit 501 zum Steuern der Plasmaerzeugungseinrichtung 400 aufweist, die angepasst ist, die Plasmaerzeugungseinrichtung 400 in Abhängigkeit von den gemessenen, für das Plasma charakteristischen Größen zu steuern. Eine solche Steuerungseinheit 501 könnte beispielsweise mit dem Messsystem 200 verbunden sein, um Messdaten der Messsonde 100 zu empfangen. Die Steuerungseinheit 501 könnte zudem beispielsweise mit der Plasmaerzeugungseinrichtung 400, insbesondere mit der Hochfrequenz-Energiequelle 403, der Zuleitung 408 und dem Ventil 406 verbunden sein, um diese zu steuern. Allerdings könnte die Steuerungseinheit 501 auch in das Messsystem 200 oder in die Plasmabeschichtungseinrichtung 400 integriert vorgesehen sein.In 7th is also shown that the plasma coating system 500 a control unit 501 for controlling the plasma generating device 400 which is adapted to the plasma generating device 400 to be controlled as a function of the measured parameters characteristic of the plasma. Such a control unit 501 could for example with the measuring system 200 be connected to measurement data of the measuring probe 100 to recieve. The control unit 501 could also, for example, with the plasma generating device 400 , especially with the high frequency power source 403 , the supply line 408 and the valve 406 connected to control them. However, the control unit could 501 also in the measuring system 200 or in the plasma coating device 400 be provided integrated.

8 zeigt ein Messverfahren 600 zum Messen einer für ein Plasma charakteristischen Größe, wobei das Verfahren ein Einführen 601 eines Sondenkopfes 120 einer Messsonde 100 in das Plasma sowie ein Erzeugen 602 eines elektrischen Gegenfeldes, das negative Ladungsträger vom Sondenkopf 120 verdrängt, aufweist. Des Weiteren weist das Verfahren 600 ein Erzeugen 603 eines Eingangssignals an einer Messelektrode 101 der Messsonde 100, die an dem Sondenkopf 120 angeordnet ist, und ein Empfangen bzw. Aufnehmen 604 eines Ausgangssignals von der Messelektrode 101, das indikativ für einen Grad der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma ist, auf. Zudem weist das Verfahren 600 ein Bestimmen 605 der für das Plasma charakteristischen Größe basierend auf dem Ausgangssignal auf. 8th shows a measurement method 600 for measuring a quantity characteristic of a plasma, the method comprising an introduction 601 of a probe head 120 a measuring probe 100 into the plasma as well as generating 602 an opposing electric field, the negative charge carrier from the probe head 120 displaced, has. Furthermore, the procedure 600 a generating 603 an input signal at a measuring electrode 101 the measuring probe 100 attached to the probe head 120 is arranged, and receiving 604 an output signal from the measuring electrode 101 , which is indicative of a degree of absorption of the input signal by the plasma. In addition, the procedure 600 a determining 605 the quantity characteristic of the plasma based on the output signal.

Insbesondere kann das Eingangssignal mit variierender Frequenz erzeugt und die für das Plasma charakteristische Größe basierend auf dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal bestimmt werden.In particular, the input signal can be generated with a varying frequency and the variable characteristic of the plasma can be determined based on the input signal and the output signal.

Das Eingangssignal kann physikalisch als eine elektromagnetische Welle oder ein elektromagnetischer Impuls verstanden werden, die bzw. der sich zunächst innerhalb der durch die dielektrische Kappe (103, 103', 103'', 103''') am Sondenkopf (120, 120', 120'', 120''') gebildeten Kavität ausbreitet und dort eine oder mehrere Hohlraummoden anregt. Hinsichtlich ihrer Intensität wird ein Teil der Hohlraummode bzw. Hohlraummoden aus der Kavität in das umgebende Plasma ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Teil regt eine Oberflächenwelle an, die sich zwischen der dielektrischen Kappe und dem Plasma gemäß einer gewissen Dispersionsrelation ω = ω(λ) ausbreitet, wobei ω die (Kreis-)Frequenz und λ die Wellenlänge der Oberflächenwelle ist.The input signal can be understood physically as an electromagnetic wave or an electromagnetic pulse, which is initially within the range defined by the dielectric cap ( 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' ) on the probe head ( 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' ) spreads cavity formed and there excites one or more cavity modes. With regard to their intensity, part of the cavity mode or cavity modes is coupled out of the cavity into the surrounding plasma. The decoupled part excites a surface wave which propagates between the dielectric cap and the plasma according to a certain dispersion relation ω = ω (λ), where ω is the (circular) frequency and λ is the wavelength of the surface wave.

Die charakteristische Größe, die gemäß dem Verfahren 600 gemessen wird, kann insbesondere eine Ionendichte des Plasmas sein. Ebenso könnte die charakteristische Größe, die gemäß dem Verfahren 600 gemessen wird, eine Elektronendichte des Plasmas sein, wobei in diesem Fall der Schritt des Erzeugens 602 des elektrischen Gegenfeld unterbleiben kann oder das elektrische Gegenfeld nur mit einer geringen Intensität erzeugt werden kann. Des Weiteren kann die charakteristische Größe, die gemäß dem Verfahren 600 gemessen wird, auch eine Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion des Plasmas sein, wobei in diesem Fall der Schritt des Erzeugens 602 des elektrischen Gegenfeldes wiederholt werden könnte, wobei bei jeder Wiederholung ein anderes elektrisches Gegenfeld erzeugt werden könnte, und wobei die Schritte des Erzeugens 603 des Eingangssignals, des Empfangens bzw. Aufnehmens 604 des Ausgangssignals und des Bestimmens 605 der für das Plasma charakteristischen Größe, das heißt in diesem Fall der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion, für die unterschiedlichen erzeugten elektrischen Gegenfelder wiederholt würden. 8 veranschaulicht in diesem Sinne ganz allgemein plasmaabsorptionsspektroskopische Messungen mittels der Messsonde 100, 100', 100'', 100'''.The characteristic quantity, which according to the procedure 600 is measured, can in particular be an ion density of the plasma. Likewise, the characteristic size, which according to the method 600 is measured to be an electron density of the plasma, in which case the step of generating 602 the opposing electrical field can be omitted or the opposing electrical field can only be generated with a low intensity. Furthermore, the characteristic variable, which according to the method 600 can also be an electron energy probability function of the plasma, in which case the step of generating 602 of the opposing electrical field could be repeated, wherein a different opposing electrical field could be generated with each repetition, and wherein the steps of generating 603 the input signal, reception or recording 604 the output signal and the determination 605 that characteristic of the plasma Size, that is to say in this case the electron energy probability function, would be repeated for the different opposing electric fields generated. 8th in this sense illustrates, in a very general way, plasma absorption spectroscopic measurements by means of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' .

Der Grad der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma, für den das empfangene bzw. aufgenommene Ausgangssignal indikativ ist, wird bevorzugt durch einen Reflexionskoeffizienten angegeben, kann aber auch beispielsweise durch einen Absorptionskoeffizienten angegeben werden. Ebenso können abgeleitete Größen wie ein Stehwellenverhältnis oder ergänzende Größen wie die Phase zur Darstellung des Ausgangssignals genutzt werden.The degree of absorption of the input signal by the plasma, for which the received or recorded output signal is indicative, is preferably indicated by a reflection coefficient, but can also be indicated, for example, by an absorption coefficient. Derived variables such as a standing wave ratio or additional variables such as the phase can also be used to represent the output signal.

Der Grad der Absorption kann beispielsweise mittels der Auswerteeinheit 204 ermittelt werden. Eine hierzu geeignete Auswerteeinheit 204 kann beispielsweise ein Netzwerkanalysator sein, der zudem gleichzeitig als Spannungsvorrichtung 201 und Signalempfangseinheit 203 dienen kann. Kommerziell erhältliche Netzwerkanalysatoren sind in der Lage, Reflexionskoeffizienten direkt darzustellen. Eine Bestimmung des Grads der Absorption ist mit Netzwerkanalysatoren also besonders leicht möglich. Der Netzwerkanalysator kann in herkömmlicher Weise, beispielsweise mittels Open-, Short- und Load-Standard, kalibriert werden. Um das Signal-Rausch-Verhältnis gering zu halten und das Einstellen einer Verzögerungszeit zu umgehen, kann der Netzwerkanalysator kalibriert werden, während er an die Messsonde angeschlossen ist. Dazu können beispielsweise die Short- und Load-Standards mit dem Sondenkopf ohne aufgesteckte dielektrische Kappe, insbesondere mit der Messelektrode selbst, verbunden werden. Dabei ist, insbesondere für lange Sondenköpfe, auf eine ausreichende Erdung der Verbindung zu achten. Anschließend kann die Open-Kalibrierung mit aufgesteckter dielektrischer Kappe vorgenommen werden. Die Open-Kalibrierung kann bevorzugt vorgenommen werden, wenn sich die Messsonde bereits in ihrer späteren Messposition, beispielsweise im Plasmabehälter, befindet. Auf diese Weise können parasitäre Einflüsse der Erdungsumgebung reduziert werden.The degree of absorption can be determined, for example, by means of the evaluation unit 204 be determined. An evaluation unit suitable for this purpose 204 can be, for example, a network analyzer that also doubles as a voltage device 201 and signal receiving unit 203 can serve. Commercially available network analyzers are able to display reflection coefficients directly. It is particularly easy to determine the degree of absorption with network analyzers. The network analyzer can be calibrated in a conventional manner, for example using the open, short and load standards. In order to keep the signal-to-noise ratio low and to avoid setting a delay time, the network analyzer can be calibrated while it is connected to the measuring probe. For this purpose, for example, the short and load standards can be connected to the probe head without the dielectric cap attached, in particular to the measuring electrode itself. It is important to ensure that the connection is adequately grounded, especially for long probe heads. The open calibration can then be carried out with the dielectric cap attached. The open calibration can preferably be carried out when the measuring probe is already in its later measuring position, for example in the plasma container. In this way, parasitic influences of the grounding environment can be reduced.

Alternativ kann zur Bestimmung des Grades der Absorption die Spannungsvorrichtung 201, 202 einen Funktionsgenerator aufweisen, wobei der Funktionsgenerator das Eingangssignal als ein Signal erzeugt, das im Frequenzraum eine verhältnismäßig hohe Spreizung aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Spreizung einen vorbestimmten Spreizwert übersteigt. Das Eingangssignal kann dann beispielsweise eine Sägezahnform aufweisen. Ferner kann ein direktionaler Koppler als Teil des Messsystems 300 vorgesehen sein, der angepasst ist, das von dem Funktionsgenerator erzeugte Eingangssignal von dem entsprechenden Ausgangssignal zu trennen, wobei die Signalempfangseinheit 203 eingerichtet sein kann, das Eingangssignal und das Ausgangssignal getrennt zu empfangen. Die Auswerteeinheit 204 kann eingerichtet sein, aus den über eine Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektren des Eingangssignals und des Ausgangssignals den Grad der Absorption, insbesondere einen Reflexionskoeffizienten, zu bestimmen. Gegenüber der Verwendung eines Netzwerkanalysators ist die Verwendung eines Funktionsgenerators kostengünstig und hat zudem den Vorteil, dass verhältnismäßig hohe Signalpegel erreicht werden können.Alternatively, the tension device can be used to determine the degree of absorption 201 , 202 have a function generator, the function generator generating the input signal as a signal which has a relatively high spread in the frequency space. For example, it can be provided that the spread exceeds a predetermined spread value. The input signal can then have a sawtooth shape, for example. A directional coupler can also be used as part of the measurement system 300 be provided which is adapted to separate the input signal generated by the function generator from the corresponding output signal, the signal receiving unit 203 can be set up to receive the input signal and the output signal separately. The evaluation unit 204 can be set up to determine the degree of absorption, in particular a reflection coefficient, from the frequency spectra of the input signal and the output signal obtained via a Fourier transformation. Compared to the use of a network analyzer, the use of a function generator is inexpensive and also has the advantage that relatively high signal levels can be achieved.

Der Grad der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma ist entsprechend den spektralen Eigenschaften des Plasmas abhängig von der Frequenz des Eingangssignals. Dabei sind die spektralen Eigenschaften des Plasmas derart, dass beispielsweise in einer Darstellung des Grades der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma der Reflexionskoeffizient ein Minimum, insbesondere ein lokales Minimum, bei einer Frequenz Ω aufweist. Die Frequenz Ω könnte als eine Resonanzfrequenz verstanden werden, bei der das Plasma das Eingangssignal besonders stark, insbesondere am stärksten, absorbiert. Physikalisch gedeutet ist die Resonanzfrequenz Ω diejenige Frequenz, die gemäß der Dispersionsrelation ω = ω(λ) der angeregten Oberflächenwelle einer Wellenlänge λ der Oberflächenwelle entspricht, die in einem ganzzahligen Verhältnis zu einer Ausdehnung des als Kavität dienenden Sondenkopfes steht. Insbesondere kann die Resonanzfrequenz Ω bei λ = 2d_l liegen, wobei d_l die Länge des Sondenkopfes in Längsrichtung bezeichnen kann.The degree of absorption of the input signal by the plasma is dependent on the frequency of the input signal in accordance with the spectral properties of the plasma. The spectral properties of the plasma are such that, for example, in a representation of the degree of absorption of the input signal by the plasma, the reflection coefficient has a minimum, in particular a local minimum, at a frequency Ω. The frequency Ω could be understood as a resonance frequency at which the plasma absorbs the input signal particularly strongly, in particular most strongly. In physical terms, the resonance frequency Ω is that frequency which, according to the dispersion relation ω = ω (λ) of the excited surface wave, corresponds to a wavelength λ of the surface wave that is in an integer ratio to an expansion of the probe head serving as a cavity. In particular, the resonance frequency Ω can be λ = 2d _l , where d _l can denote the length of the probe head in the longitudinal direction.

Zur Bestimmung der Elektronendichte des Plasmas wird angenommen, dass die Frequenz Ω mit der Plasmafrequenz ω_e zusammenhängt. Letztere ist gegeben durch $ω_{e} = \sqrt{\frac{n_{e} \cdot e^{2}}{ε_{0} \cdot m_{e}}},$

wobei n_e die Elektronendichte, e die Elementarladung, ε₀ die dielektrische Feldkonstante und m_e die (Ruhe-)Elektronenmasse bezeichnet. Bevorzugt wird angenommen, dass die Frequenz Ω proportional zur Plasmafrequenz ω_e ist, das heißt Ω = α ω_e wobei der Proportionalitätsfaktor α von der verwendeten Messsonde abhängt. Zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors α wird die Messsonde bevorzugt kalibriert, wobei zur Kalibrierung insbesondere ein bekanntes Sondenmodell herangezogen werden kann. Beispielsweise kann ein solches Sondenmodell eine Abhängigkeit des Proportionalitätsfaktor α von einer Geometrie des Sondenkopfes anhand ausgewählter geometrischer Größen parametrisieren. Diese Größen können beispielsweise das Volumen eines Bereichs innerhalb der dielektrischen Kappe, insbesondere das Volumen des von der dielektrischen Kappe gebildeten Dunkelraums um die Messelektrode, angeben. Wird dieses Volumen durch Verschieben der dielektrischen Kappe verändert, kann aus der Abhängigkeit der Frequenz Ω, an der der Reflexionskoeffizient minimal wird, von dem veränderten Volumen basierend auf dem Sondenmodell der Proportionalitätsfaktor α bestimmt werden. Beispielsweise kann der Proportionalitätsfaktor α durch ein Fitten der gemessenen Abhängigkeit der Frequenz Ω, an der der Reflexionskoeffizient minimal wird, von dem veränderten Volumen des Bereichs innerhalb der dielektrischen Kappe an eine von dem Sondenmodell vorgegebene Abhängigkeit bestimmt werden. Der Proportionalitätsfaktor α entspricht bevorzugt einem basierend auf dem Sondenmodell berechneten Wert des Quotienten aus der Frequenz ω einer von dem Eingangssignal angeregten Oberflächenwelle und der Plasmafrequenz ω_e für eine Resonanz erster Ordnung.To determine the electron density of the plasma, it is assumed that the frequency Ω is related to the plasma frequency ω _e . The latter is given by

ω_{e} = \sqrt{\frac{n_{e} \cdot e^{2}}{ε_{0} \cdot m_{e}}},

wherein n _{e is} the electron density, e is the elementary charge ε, ₀ is the dielectric constant field and m _e is the (rest) electron mass. It is preferably assumed that the frequency Ω is proportional to the plasma frequency ω _e , that is to say Ω = α ω _e, where the proportionality factor α depends on the measuring probe used. To determine the proportionality factor α, the measuring probe is preferably calibrated, it being possible in particular to use a known probe model for the calibration. For example, such a probe model can have a dependency of the proportionality factor α on a Parameterize the geometry of the probe head on the basis of selected geometric parameters. These variables can specify, for example, the volume of an area within the dielectric cap, in particular the volume of the dark space around the measuring electrode formed by the dielectric cap. If this volume is changed by moving the dielectric cap, the proportionality factor α can be determined from the dependence of the frequency Ω, at which the reflection coefficient becomes minimal, on the changed volume based on the probe model. For example, the proportionality factor α can be determined by fitting the measured dependence of the frequency Ω, at which the reflection coefficient becomes minimal, on the changed volume of the area within the dielectric cap to a dependency predetermined by the probe model. The proportionality factor α preferably corresponds to a value, calculated on the basis of the probe model, of the quotient of the frequency ω of a surface wave excited by the input signal and the plasma frequency ω _e for a first-order resonance.

Ausgewählte geometrischen Größen, auf denen ein Sondenmodell basieren kann, sind beispielsweise die folgenden: eine Länge d_t der Messelektrode 101, 101', 101'', 101''', das heißt beispielsweise die Länge, um die der Innenleiter des Koaxialkabels zum Sondenkopf 120, 120', 120'', 120''' übersteht, wobei die Länge d_t in Längsrichtung der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' gemessen wird (hierbei steht der Index „t“ für „tip“); eine Ausdehnung l_p der Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' in einer zur Längsrichtung der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' transversalen Richtung, das heißt beispielsweise ein Radius l_p des Innenleiters des Koaxialkabels (hierbei steht „p“ für „probe“); eine Länge d_l des Sondenkopfes 120, 120', 120'', 120''', das heißt beispielsweise der Abstand zwischen dem Ende des Koaxialkabels, ab dem der Innenleiter als Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' übersteht, und dem vordersten Stück des Kopfendes der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''', wobei auch die Länge d₁ in Längsrichtung der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' gemessen wird (hierbei steht der Index „l“ für „length“); eine Innenausdehnung r_i der dielektrischen Kappe in einer zur Längsachse der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' transversalen Richtung, das heißt beispielsweise der Innenradius einer U-förmigen dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103'''; und/oder eine Außenausdehnung r_a der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' in einer zur Längsachse der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' transversalen Richtung, das heißt beispielsweise der Außenradius der U-förmigen dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103'''. In einer Ausführungsform können diese Größen beispielsweise die Werte d_t = 15 mm, l_p = 0,45 mm, d_l = 15 mm, r_i = 4 mm und r_a = 5 mm annehmen, wobei auch andere Werte vorteilhaft sein können. Insbesondere ist es nicht entscheidend, welchen konkreten Wert l_p der Radius des Innenleiters des Koaxialkabels annimmt. Ein beispielhaftes Sondenmodell ist beschrieben in dem Artikel „Plasma Absorption Probe for Measuring Electron Density in an Environment Soiled with Processing Plasmas‟ von H. Kokura et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38, Seiten 5262 bis 5266 (1999) .Selected geometric variables on which a probe model can be based are, for example, the following: a length d _{t of} the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' , that is, for example, the length by which the inner conductor of the coaxial cable to the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' protrudes, the length d _t in the longitudinal direction of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' is measured (here the index “t” stands for “tip”); an extension l _{p of} the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' in one to the longitudinal direction of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' transverse direction, that is, for example, a radius l _{p of} the inner conductor of the coaxial cable (here “p” stands for “probe”); a length d _{l of} the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' , that means, for example, the distance between the end of the coaxial cable from which the inner conductor acts as a measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' protrudes, and the foremost piece of the head end of the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' , where also the length d ₁ in the longitudinal direction of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' is measured (here the index “l” stands for “length”); an internal dimension r _{i of} the dielectric cap in one to the longitudinal axis of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' transverse direction, that is, for example, the inner radius of a U-shaped dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 '''; and / or an external dimension r _{a of} the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' in one to the longitudinal axis of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' transverse direction, that is, for example, the outer radius of the U-shaped dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' . In one embodiment, these variables can _{assume the values d t} = 15 mm, l _p = 0.45 mm, d _l = 15 mm, r _i = 4 mm and r _a = 5 mm, although other values can also be advantageous. In particular, it is not decisive which specific value l _p the radius of the inner conductor of the coaxial cable assumes. An exemplary probe model is described in the article "Plasma Absorption Probe for Measuring Electron Density in an Environment Soiled with Processing Plasmas" by H. Kokura et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38, pages 5262 to 5266 (1999) .

Alternativ, oder auch ergänzend, zur Kalibrierung anhand eines Sondenmodells kann die Messsonde 100, 100', 100'', 100''' über eine Vergleichsmessung mittels einer zweiten Messsonde kalibriert werden. Für die zweite Messsonde ist vorzugsweise der Zusammenhang zwischen der mit ihr messbaren Frequenz Ω', bei der der Grad der Absorption des Eingangssignals durch das Plasma besonders stark oder am stärksten wird, und der Plasmafrequenz ω_e, das heißt beispielsweise ein entsprechender Proportionalitätsfaktor α', bekannt. Beispielsweise kann dann der Proportionalitätsfaktor α durch einen Vergleich der mit den beiden Messsonden ermittelten Frequenzen Ω und Ω' bestimmt werden, wobei $α = \frac{Ω}{Ω'} α' .$

Allgemein ausgedrückt könnte zur Kalibrierung ein mit der zu kalibrierenden Messsonde bestimmter Wert der Elektronendichte entsprechend einem mit der zweiten Messsonde bestimmten Wert der Elektronendichte korrigiert werden. Die zweite Messsonde kann beispielsweise eine kalibrierte Messsonde 100, 100', 100'', 100''', eine Langmuirsonde oder eine andere Messsonde sein.As an alternative, or also in addition, to the calibration using a probe model, the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' be calibrated via a comparison measurement using a second measuring probe. For the second measuring probe, there is preferably the relationship between the frequency Ω 'that can be measured with it, at which the degree of absorption of the input signal by the plasma is particularly strong or strongest, and the plasma frequency ω _e , that is, for example, a corresponding proportionality factor α', known. For example, the proportionality factor α can then be determined by comparing the frequencies Ω and Ω 'determined with the two measuring probes, with

α = \frac{Ω}{Ω'} α' .

In general terms, for the purpose of calibration, a value of the electron density determined using the measuring probe to be calibrated could be corrected in accordance with a value of the electron density determined using the second measuring probe. The second measuring probe can, for example, be a calibrated measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' , a Langmuir probe or another measuring probe.

Ist der Zusammenhang zwischen der Frequenz Ω, bei der die Absorption des Eingangssignals durch das Plasma besonders stark oder bevorzugt maximal wird, und der Plasmafrequenz ω_e, das heißt beispielsweise der Proportionalitätsfaktor α, bekannt, kann von der Frequenz Ω unmittelbar auf die Elektronendichte n_e geschlossen werden, da die rechte Seite der Gl. (1) ansonsten nur Naturkonstanten enthält.If the relationship between the frequency Ω, at which the absorption of the input signal by the plasma is particularly strong or preferably maximal, and the plasma frequency ω _e , i.e. for example the proportionality factor α, is known, the electron density n _{e can be directly derived from the frequency Ω} be closed, since the right side of Eq. (1) otherwise only contains natural constants.

Die Gl. (1) gilt grundsätzlich in entsprechender Weise auch für die Ionen im Plasma. Eine für die Ionen des Plasmas charakteristische Frequenz ω_i ist also gegeben durch $ω_{i} = \sqrt{\frac{n_{i} \cdot e^{2}}{ε_{0} \cdot m_{i}}},$

wobei n_i die Ionendichte, e die Elementarladung, ε₀ die dielektrische Feldkonstante und m_i die Ionenmasse bezeichnet. Allerdings ist die Frequenz ω_i nicht ohne Weiteres zugänglich, da die im Vergleich zu den Ionen viel leichteren und daher beweglicheren Elektronen die schwereren und daher trägeren Ionen instantan bzw. quasi-instantan abschirmen (m_i » m_e), was sich auch in der im Vergleich zur Plasmafrequenz ω_e wesentlich niedrigeren, typischerweise bei Werten unterhalb von 10 MHz liegenden für die Ionen charakteristischen Frequenz ω_i niederschlägt. Eine Messung der Frequenz ω_i und damit der Ionendichte n_i des Plasmas wird also durch die Elektronen beeinträchtigt, da die Elektronen einem für die Ionen eigentlich anregenden Eingangssignal problemlos folgen können und damit die Anregung der Ionen durch Abschirmung verringern. Die Beeinträchtigung tritt auf, obwohl die den Sondenkopf 120, 120', 120'', 120''' umgebende Plasmarandschicht nach der Plasmatheorie von Ionen dominiert wird. Um trotzdem eine Absorption des Eingangssignals durch die Ionen wahrnehmen zu können, wird mittels der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' ein elektrisches Gegenfeld erzeugt, das die Elektronen vom Sondenkopf 120, 120', 120'', 120''' verdrängt und somit die Breite der Plasmarandschicht, das heißt beispielsweise ihre Ausdehnung in einer zur Außenfläche der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' lokal vertikalen Richtung, vergrößert. Die verbreiterte Plasmarandschicht führt zu einer erhöhten Wechselwirkung der Messsonde 100, 100', 100'', 100''', insbesondere der an der Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' erzeugten Eingangssignale, mit dem Plasma. Unterstützend kann auch eine Wechselwirkungsfläche zwischen der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' und dem Plasma möglichst groß gestaltet sein, beispielsweise durch entsprechende Geometrien der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103'''. Die durch eine vergrößerte Wechselwirkungsfläche erreichte Verstärkung der Wechselwirkung zwischen Ionen und Messsonde ist vorwiegend in sehr dünnen Plasmen, insbesondere bei Plasmadichten unterhalb von 10¹⁵ m^-3, beträchtlich. Für höhere Plasmadichten gewinnt die durch ein Gegenfeld erzeugbare Erhöhung der Wechselwirkung mit den Ionen an Bedeutung. In Gegenwart des elektrischen Gegenfeldes kann die Ionendichte basierend auf Gl. (2) analog zur Elektronendichte bestimmt werden, wobei für ein gegebenes Plasma die enthaltenen Ionen und damit die Ionenmasse m_i als bekannt vorausgesetzt werden können.The Gl. (1) also applies in a corresponding manner to the ions in the plasma. _{A frequency ω i} characteristic of the ions in the plasma is thus given by

ω_{i} = \sqrt{\frac{n_{i} \cdot e^{2}}{ε_{0} \cdot m_{i}}},

where n _i denotes the ion density, e the elementary charge, ε ₀ the dielectric field constant and m _i the ion mass. However, the frequency ω _{i is} not easily accessible, since the electrons, which are much lighter than the ions and therefore more mobile, shield the heavier and therefore more sluggish ions instantaneously or quasi-instantaneously (m _i » m _e ), which is also reflected in the _{frequency ω i} _{, which is much lower than the plasma frequency ω e and} which is typically at values below 10 MHz, which is characteristic of the ions. A measurement of the frequency ω _i and thus the ion density n _{i of} the plasma is therefore impaired by the electrons, since the electrons can easily follow an input signal that actually excites the ions and thus reduce the excitation of the ions by shielding them. The impairment occurs even though the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' surrounding plasma edge layer is dominated by ions according to the plasma theory. In order to still be able to perceive an absorption of the input signal by the ions, the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' an opposing electric field is generated that pulls the electrons from the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' displaced and thus the width of the plasma edge layer, that is, for example, its extent in one to the outer surface of the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' local vertical direction, enlarged. The widened plasma edge layer leads to an increased interaction of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' , especially the one on the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' generated input signals, with the plasma. An interaction surface between the measuring probe can also help 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' and the plasma should be made as large as possible, for example by means of corresponding geometries of the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' . The intensification of the interaction between ions and measuring probe achieved by an enlarged interaction surface is mainly considerable in very thin plasmas, in particular with plasma densities below 10 ¹⁵ m ^-3 . For higher plasma densities, the increase in the interaction with the ions that can be generated by an opposing field becomes more important. In the presence of the opposing electric field, the ion density can be calculated based on Eq. (2) can be determined analogously to the electron density, whereby the ions contained and thus the ion mass m _i can be assumed to be known for a given plasma.

Vorzugsweise wird das elektrische Gegenfeld durch Erzeugen eines elektrischen Potentials am Sondenkopf erzeugt, dessen Wert im Bereich des Sondenkopfes geringer ist als das Floating-Potential. Auf diese Weise kann eine Erhöhung der Qualität, insbesondere der Intensität, des aufgenommenen Ausgangssignals erreicht werden, ohne dass sich die Resonanzfrequenz und damit der zu bestimmende Wert der Ionendichte durch die aufgrund des Gegenfeldes verstärkte Wechselwirkung des Eingangssignals mit den Ionen im Plasma verschiebt.The opposing electric field is preferably generated by generating an electric potential on the probe head, the value of which in the area of the probe head is lower than the floating potential. In this way, an increase in the quality, in particular the intensity, of the recorded output signal can be achieved without the resonance frequency and thus the value of the ion density to be determined shifting due to the increased interaction of the input signal with the ions in the plasma due to the opposing field.

Für die Messung der Ionendichte kann eine zusätzliche Kalibrierung der Messsonde vorgenommen werden. Diese kann wie oben in Bezug auf die Messung der Elektronendichte anhand einer Messung mittels einer zweiten Messsonde erfolgen. Beispielsweise kann ein Bezugswert für die Ionendichte ermittelt werden, indem mittels einer Langmuirsonde im Inneren des Plasmas die Elektronendichte gemessen wird. Nach dem Prinzip der Quasineutralität, das für das Innere des Plasmas angenommen werden kann, kann dieser Wert als Bezugswert für die Ionendichte dienen. Anstelle der Langmuirsonde kann auch die für die Messung der Elektronendichte kalibrierte Messsonde selbst verwendet werden. Insbesondere von einem direkten Vergleich der mittels der Messsonde für die Messung der Ionendichte ermittelten Absorptionsfrequenz und einer mittels einer Langmuirsonde bestimmten Ionendichte ist allerdings abzusehen, da die von der Langmuirsonde ermittelte Ionendichte durch Einflüsse der Sondengeometrie, insbesondere auf den von der Langmuirsonde gemessenen Ionenstrom, verfälscht sein kann.An additional calibration of the measuring probe can be carried out to measure the ion density. As above with regard to the measurement of the electron density, this can be done using a measurement using a second measuring probe. For example, a reference value for the ion density can be determined by measuring the electron density in the interior of the plasma using a Langmuir probe. According to the principle of quasi-neutrality, which can be assumed for the interior of the plasma, this value can serve as a reference value for the ion density. Instead of the Langmuir probe, the measuring probe calibrated for measuring the electron density itself can also be used. In particular, a direct comparison of the absorption frequency determined by means of the measuring probe for the measurement of the ion density and an ion density determined by means of a Langmuir probe should be refrained from, since the ion density determined by the Langmuir probe may be falsified by influences of the probe geometry, in particular on the ion current measured by the Langmuir probe can.

Auch der Netzwerkanalysator kann für die Messung der Ionendichte eine zusätzliche Kalibrierung aufweisen, die dem im Vergleich zur Messung der Elektronendichte niedrigeren Bereich von Messfrequenzen, insbesondere der niedrigeren Absorptionsfrequenz, die typischerweise im Megahertz- oder Kilohertzbereich liegt, angepasst ist. Gängige Netzwerkanalysatoren sind in der Lage, verschiedene Kalibrierungen zu speichern und auf Abruf zu laden. Für ein besonders zügiges Umschalten zwischen der Messung der Elektronendichte und der Messung der Ionendichte kann auch eine feine Kalibrierung des Netzwerkanalysators über alle benötigten Messfrequenzen hinweg vorgesehen sein.The network analyzer can also have an additional calibration for measuring the ion density, which is adapted to the lower range of measurement frequencies compared to the measurement of the electron density, in particular the lower absorption frequency, which is typically in the megahertz or kilohertz range. Common network analyzers are able to save various calibrations and load them on demand. For particularly rapid switching between the measurement of the electron density and the measurement of the ion density, a fine calibration of the network analyzer over all required measurement frequencies can be provided.

Das elektrische Gegenfeld bietet des Weiteren die Möglichkeit, die Elektronen im Plasma energieselektiv anzuregen. Insbesondere kann die Elektronendichte bei variierender Stärke des Gegenfeldes, das heißt beispielsweise bei variierender Größe einer an der Gegenelektrode 104, 104' anliegenden Gleichspannung, gemessen werden, wobei die Abhängigkeit der gemessenen Elektronendichte von der Stärke des Gegenfeldes als Maß für die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion (EEPF) genutzt werden kann. Es wird also ausgenutzt, dass mit zunehmender Stärke des Gegenfeldes weniger Elektronen in die den Sondenkopf 120, 120', 120'', 120''' umgebende Plasmarandschicht eindringen können und damit weniger Elektronen aus dem Plasma von dem an der Messelektrode 101, 101', 101'', 101''' der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' erzeugten Eingangssignal angeregt werden können. Die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion gibt die Anzahl der in einem Volumenelement des Plasmas vorhandenen Elektronen mit einer bestimmten Energie an und ist im Wesentlichen gleichbedeutend mit der Elektronenenergie-Verteilungsfunktion, wobei der Unterschied nur in einer Normierung besteht. Dies wird aus folgender Gleichung deutlich, in der ƒ_p(ε) die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion des Plasmas bei einer Elektronenenergie ε und F(ε) die Elektronenenergie-Verteilungsfunktion bei derselben Elektronenenergie bezeichnet. $f_{p} (ε) = \frac{F (ε)}{\sqrt{ε}} .$

The opposing electric field also offers the possibility of energizing the electrons in the plasma in an energy-selective manner. In particular, the electron density can be increased with a varying strength of the opposing field, that is to say, for example, with a varying size of one at the opposing electrode 104 , 104 ' applied DC voltage, whereby the dependence of the measured electron density on the strength of the opposing field can be used as a measure for the electron energy probability function (EEPF). It is therefore exploited that, with increasing strength of the opposing field, fewer electrons enter the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' surrounding plasma edge layer can penetrate and thus fewer electrons from the plasma from the one at the measuring electrode 101 , 101 ' , 101 '' , 101 ''' the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' generated input signal can be excited. The electron energy probability function indicates the number of electrons with a certain energy present in a volume element of the plasma and is essentially equivalent to the electron energy distribution function, the difference being only one normalization. This is clear from the following equation, in where ƒ _p (ε) denotes the electron energy probability function of the plasma for an electron energy ε and F (ε) the electron energy distribution function for the same electron energy.

f_{p} (ε) = \frac{F. (ε)}{\sqrt{ε}} .

Die Elektronenenergie-Verteilungsfunktion gibt die Anzahl der Elektronen im Plasma pro Volumenelement an, die eine Energie zwischen ε und ε + Δε aufweisen. Üblicherweise wird die Elektronenenergie-Verteilungsfunktion in Einheiten von (eV · m³)^-1 angegeben. Sowohl die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion als auch die Elektronenenergie-Verteilungsfunktion enthalten demnach im Allgemeinen mehr Informationen über die Elektronen im Plasma als durch eine Elektronentemperatur gegeben wäre. Lediglich in dem speziellen und zudem nur theoretisch erreichbaren Fall einer perfekten Maxwell-Boltzmann-Verteilung gäbe die Elektronentemperatur eine Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion an. Allerdings wird eine Maxwell-Boltzmann-Verteilung nur unter einigen wenigen Plasmabedingungen erreicht, und auch dann in der allgemeinen Praxis nur annähernd. Insbesondere kann unter schichtbildenden Plasmabedingungen keine Maxwell-Boltzmann-Verteilung vorausgesetzt werden. Abweichungen von einer perfekten Maxwell-Boltzmann-Verteilung werden besonders deutlich in einer halblogarithmischen Darstellung der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion, da diese im Falle einer perfekten Maxwell-Boltzmann-Verteilung die Form einer Geraden annimmt. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich daher lediglich auf die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion, wobei Entsprechendes für die Elektronenenergie-Verteilungsfunktion gilt. Die Elektronenenergie-Verteilungsfunktion lässt sich also gemäß demselben Prinzip messen, wie es nachfolgend mit Bezug auf die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion erläutert ist.The electron energy distribution function indicates the number of electrons in the plasma per volume element that have an energy between ε and ε + Δε. Usually the electron energy distribution function is given in units of (eV · m ³ ) ^-1 . Both the electron energy probability function and the electron energy distribution function therefore generally contain more information about the electrons in the plasma than would be given by an electron temperature. Only in the special and only theoretically achievable case of a perfect Maxwell-Boltzmann distribution would the electron temperature give an electron energy probability function. However, a Maxwell-Boltzmann distribution is only achieved under a few plasma conditions, and even then only approximately in general practice. In particular, no Maxwell-Boltzmann distribution can be assumed under layer-forming plasma conditions. Deviations from a perfect Maxwell-Boltzmann distribution are particularly clear in a semi-logarithmic representation of the electron energy probability function, since in the case of a perfect Maxwell-Boltzmann distribution this takes the form of a straight line. The following explanations therefore relate only to the electron energy probability function, with the same applies to the electron energy distribution function. The electron energy distribution function can thus be measured according to the same principle as explained below with reference to the electron energy probability function.

Die Messung der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion kann als Messung der Elektronendichte für unterschiedliche Elektronenenergien, also als eine Messung einer Funktion N = n_e(ε) verstanden werden. Dabei wird sich zunutze gemacht, dass ein Messvolumen durch eine Eindringtiefe der Eingangssignale in das Plasma definiert werden kann. Insbesondere kann als Maß für das Messvolumen die Skintiefe δ herangezogen werden. Für die Skintiefe gilt $δ = \frac{c}{ω_{p}},$

wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromangetischer Wellen und damit auch der Eingangssignale im Plasma und ω_p die Plasmafrequenz angibt. Gemeinsam mit dem Ausdruck für die Plasmafrequenz aus Gl. (1) ergibt sich somit, dass die Skintiefe nur von der Elektronendichte abhängt, wobei die Skintiefe bei zunehmenden Elektronendichten abnimmt,

δ \propto \frac{1}{\sqrt{n_{e}}} .

The measurement of the electron energy probability function can be understood as a measurement of the electron density for different electron energies, that is, as a measurement of a function N = n _e (ε). This makes use of the fact that a measurement volume can be defined by the penetration depth of the input signals in the plasma. In particular, the skin depth δ can be used as a measure of the measurement volume. The following applies to the skin depth

δ = \frac{c}{ω_{p}},

where c is the speed of propagation of electromagnetic waves and thus also of the input signals in the plasma and ω _{p is} the plasma frequency. Together with the expression for the plasma frequency from Eq. (1) it follows that the skin depth only depends on the electron density, whereby the skin depth decreases with increasing electron densities,

δ \propto \frac{1}{\sqrt{n_{e}}} .

Auch das Messvolumen wird also nur von der Elektronendichte abhängen, wobei es mit steigenden Elektronendichten abnehmen wird.The measurement volume will also only depend on the electron density, whereby it will decrease with increasing electron densities.

Zur Messung der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion wird das elektrische Gegenfeld mittels der Messsonde entsprechend einem elektrischen Potential V_g erzeugt, dessen Wert über einen vorbestimmten Bereich variiert wird. Der Bereich, über den das Potential V variiert wird, ist dabei so gewählt, dass das Potential V_g über den gesamten Bereich hinweg kleiner als das Plasmapotential V_p ist. Das Potential V_g entspricht beispielsweise einer Spannung, die an der Gegenelektrode 104 der Messsonde 100 anliegt, wobei die Spannung in Bezug auf die Masse, also beispielsweise auf die Abschirmung 116 des Koaxialkabels 105 zur Gegenelektrode 104, gemessen sein kann. Auch das Plasmapotential V_p kann als eine Spannung in Bezug auf die Masse, also beispielsweise ebenfalls auf die Abschirmung 116 oder auch auf die Abschirmung 113 des Koaxialkabels 110, verstanden werden. Die einem bestimmten Potential V_g und damit auch einem bestimmten Gegenfeld entsprechende Elektronenenergie ε ergibt sich zu $ε = e (V_{p} - V_{g}) .$

To measure the electron energy probability function, the opposing electric field is _{generated by means of the measuring probe in accordance with an electric potential V g} , the value of which is varied over a predetermined range. The range over which the potential V is varied is selected such that the potential V _g is smaller than the plasma potential V _p over the entire range. The potential V _g corresponds, for example, to a voltage on the counter electrode 104 the measuring probe 100 is applied, the voltage in relation to the ground, for example to the shield 116 of the coaxial cable 105 to the counter electrode 104 , can be measured. The plasma potential V _p can also be used as a voltage in relation to the ground, that is to say for example likewise to the shielding 116 or on the shield 113 of the coaxial cable 110 to be understood. The electron energy ε corresponding to a specific potential V _g and thus also to a specific opposing field is given by

ε = e (V_{p} - V_{G}) .

Die Elektronenergie ist also proportional zu einem um das Plasmapotential renormierten Wert des Potentials V_g. Wird nun das Potential V_g und damit das Gegenfeld variiert, wobei für unterschiedliche Gegenfelder jeweils wie oben beschrieben die Elektrondichte n_i bestimmt wird, können Wertepaare aus Elektronenenergie ε und Elektronendichte n_i gebildet werden, die jeweils einem Potential V_g und damit einem Gegenfeld entsprechen und aus denen sich die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion als Funktion der Form N = n_e(ε) ergibt. Insbesondere kann die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion auf diese Weise bis auf einen Proportionalitätsfaktor bestimmt werden.The electron energy is therefore proportional to a value of the potential V _g renormalized by the plasma potential. If the potential V _g and thus the opposing field is varied, the electron density n _{i being} determined for different opposing fields as described above, value pairs can be formed from electron energy ε and electron density n _i , each corresponding to a potential V _g and thus to an opposing field and which indicate the electron energy probability function as a function of the form N = n _e (ε). In particular, the electron energy probability function can be determined in this way up to a proportionality factor.

Die gemessene Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion lässt sich hinsichtlich des Proportionalitätsfaktors noch präzisieren, indem das Abfallen des Gegenfeldes mit dem Abstand zur Sondenspitze berücksichtigt wird. Beispielsweise können jeweils die Elektronenergien der Wertepaare, aus denen sich die Funktion N = n_e(ε) ergibt, unter Berücksichtigung des mit dem Kehrwert des Abstands abfallenden, dem Gegenfeld entsprechenden Potentials renormiert werden, das heißt Gl. (6) entsprechend korrigiert werden. Diese Korrektur trägt dem Umstand Rechnung, dass mittels der Messsonde 100 nicht, wie etwa mit einer Langmuirsonde durch Messung eines Elektronenstroms auf der Sondenoberfläche, lediglich entlang einer Wechselwirkungsfläche, sondern innerhalb eines Messvolumens gemessen wird, und dass zur Verdrängung der Elektronen aus äußeren Bereichen des Messvolumens zunehmend stärkere Gegenfelder erzeugt werden müssen.The measured electron energy probability function can be further specified with regard to the proportionality factor by the decrease of the opposing field with the distance to Probe tip is taken into account. For example, the electron energies of the pairs of values from which the function N = n _e (ε) results can be renormalized, taking into account the potential corresponding to the opposing field and decreasing with the reciprocal of the distance, i.e. Eq. (6) should be corrected accordingly. This correction takes into account the fact that by means of the measuring probe 100 not only measured along an interaction surface, as is the case with a Langmuir probe by measuring an electron current on the probe surface, but within a measurement volume, and that increasingly stronger opposing fields have to be generated to displace the electrons from outer areas of the measurement volume.

Analog zur Messung der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion kann die Messsonde auch für eine Messung der lonenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion verwendet werden. Alternativ kann die lonenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion auch über eine einer Breite, wie beispielsweise einer Halbwertsbreite, eines der Resonanzfrequenz Ω entsprechenden Anstiegs des Ausgangssignals ermittelt werden, wobei ausgenutzt werden kann, dass die Breite mit einer mittleren Energie der Ionen korrelieren kann.Analogously to the measurement of the electron energy probability function, the measuring probe can also be used for a measurement of the ion energy probability function. Alternatively, the ion energy probability function can also be determined via an increase in the output signal corresponding to a width, such as a half-width, for example, of a rise in the output signal corresponding to the resonance frequency Ω, it being possible to make use of the fact that the width can correlate with an average energy of the ions.

8 veranschaulicht zwar, wie oben erwähnt, vorwiegend plasmaabsorptionsspektroskopische Messungen, das heißt beispielsweise die vorstehend beschriebenen Verfahren zum Messen der Elektronendichte, der Ionendichte und der Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion. Allerdings werden die Schritte des Einführens 601 des Sondenkopfes, des Empfangens bzw. Aufnehmens 604 eines Ausgangssignals von der Messelektrode und des Bestimmens 605 der für das Plasma charakteristischen Größe auch in passiven Messungen mittels der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' durchgeführt, wobei dann das empfangene bzw. aufgenommene Ausgangssignal nicht indikativ für einen Grad der Absorption durch das Plasma ist, da kein Eingangssignal erzeugt wird. Das kapazitive Messprinzip wird im Folgenden mit Bezug auf 9 und 10 näher erläutert. 8th Although, as mentioned above, illustrates primarily plasma absorption spectroscopic measurements, that is to say, for example, the above-described methods for measuring the electron density, the ion density and the electron energy probability function. However, the steps of introducing it 601 the probe head, receiving or recording 604 an output signal from the measuring electrode and the determination 605 of the quantity characteristic of the plasma, also in passive measurements using the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' carried out, in which case the received or recorded output signal is not indicative of a degree of absorption by the plasma, since no input signal is generated. The capacitive measuring principle is explained below with reference to 9 and 10 explained in more detail.

9 zeigt eine in ein Plasma P eingeführte Messsonde 100'', wobei lediglich elektrische Kenngrößen des Systems aus Plasma P und Messsonde 100'' angegeben sind. Der elektrischen Verbindung 102'' und der Messelektrode 101'', die in dem gezeigten Beispiel von einem verlängerten Innenleiter 111'' eines Koaxialkabels 111'', 112'', 113'' gebildet sind, lässt sich eine erste Induktivität L₁ zuordnen. Der Sondenspitze, genauer dem Innenleiter 111'' und dem Kopfende der dielektrischen Kappe 103'', lässt sich zudem eine erste Kapazität C₁ zuordnen. Mit der Abschirmung 113'' des Koaxialkabels 111'', 112'', 113'' zusammen bildet der Innenleiter 111'' derweil eine Kapazität C₂. Darüber hinaus lässt sich die Kopplung zwischen dem Sondenkopf 120'' und dem Plasma durch eine Kapazität C_S beschreiben, die von dem Kopfende der dielektrischen Kappe 103' und dem Plasma gebildet wird. Die Kapazität C_S kann auch als Kapazität der Plasmarandschicht verstanden werden, die sich um den Sondenkopf 120'' herum ausbildet, wenn die Messsonde 100'' in das Plasma eingeführt ist (der Index „s“ steht für „sheath“). Die Plasmarandschicht kann für die meisten Hochfrequenzplasmen als rein kapazitiv angenommen werden. 9 shows a measuring probe inserted into a plasma P. 100 '' , with only electrical parameters of the system consisting of plasma P and measuring probe 100 '' are specified. The electrical connection 102 '' and the measuring electrode 101 '' , which in the example shown is from an extended inner conductor 111 '' a coaxial cable 111 '' , 112 '' , 113 '' are formed, a first inductance L _{1 can be} assigned. The probe tip, more precisely the inner conductor 111 '' and the head end of the dielectric cap 103 '' , a first capacitance C _{1 can also be} assigned. With the shield 113 '' of the coaxial cable 111 '' , 112 '' , 113 '' together form the inner conductor 111 '' meanwhile a capacitance C ₂ . In addition, the coupling between the probe head 120 '' and describe the plasma by a capacitance C _{S taken} from the head end of the dielectric cap 103 ' and the plasma is formed. The capacitance C _S can also be understood as the capacitance of the plasma edge layer around the probe head 120 '' trains around when the probe 100 '' is introduced into the plasma (the subscript "s" stands for "sheath"). The plasma edge layer can be assumed to be purely capacitive for most high-frequency plasmas.

10 zeigt ein in Teilen der 9 entsprechendes Ersatzschaltbild, aus dem ersichtlich ist, dass die Kapazität C₂, die Induktivität L₁, die erste Kapazität C₁ und die Kapazität C_S als in Reihe geschaltet verstanden werden können. Dabei können die Induktivität L₁, die erste Kapazität C₁ und die Kapazität C_S zu einer ersten Impedanz Z₁ zusammengefasst werden, womit die zweite Kapazität C₂ eine zweite Impedanz Z₂ bilden würde. Der Spannungsabfall über die gesamte Reihenschaltung, der dem Floating-Potential V_ƒ entspricht, teilt sich auf in einen Anteil, der über der zweiten Impedanz Z₂, also an der zweiten Kapazität C₂, abfällt, und einen restlichen Anteil. Der Anteil, der über der zweiten Impedanz, also an der zweiten Kapazität C₂, abfällt, entspricht einem Potential V_pp (hierbei steht der Index „pp“ für „peakto-peak“). Somit gilt $V_{p p} = \frac{Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2}} V_{f}$

mit

Z_{1} = \frac{1}{j ω C_{s}} + \frac{1}{j ω C_{1}} + j ω L_{1}

und

Z_{2} = \frac{1}{j ω C_{2}},

wobei j die imaginäre Einheit bezeichnet. 10 shows a in parts of the 9 Corresponding equivalent circuit diagram, from which it can be seen that the capacitance C ₂ , the inductance L ₁ , the first capacitance C ₁ and the capacitance C _S can be understood as being connected in series. The inductance L ₁ , the first capacitance C ₁ and the capacitance C _S can be combined to form a first impedance Z ₁ , whereby the second capacitance C ₂ would form a second impedance Z _2. The voltage drop across the entire series circuit, which corresponds to the floating potential V _ƒ , is divided into a portion _{that drops across the second impedance Z 2} , that is to say _{across the second capacitance C 2} , and a remaining portion. The portion that drops across the second impedance, that is to say across the second capacitance C ₂ , corresponds to a potential V _pp (here the index “pp” stands for “peak-peak”). Thus

V_{p p} = \frac{Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2}} V_{f}

With

Z_{1} = \frac{1}{j ω {C.}_{s}} + \frac{1}{j ω {C.}_{1}} + j ω {L.}_{1}

and

Z_{2} = \frac{1}{j ω {C.}_{2}},

where j denotes the imaginary unit.

Das in 10 dargestellte Ersatzschaltbild enthält über die aus 9 ableitbaren, zu der Messsonde 100'' gehörigen Elemente hinaus die Impedanzen Z_a und Z_b, die einem Teil des Messsystems außerhalb der Messsonde 100'' zugeordnet sind. Die Wahl der Impedanzen Z_a und Z_b bestimmt, ob hochohmig und damit das Plasmapotential gemessen wird oder ob niederohmig und damit das Floating-Potential gemessen wird. Vorzugsweise wird dabei Z_b fest eingestellt und nur Z_a variiert. Z_b kann insbesondere sowohl für die niederohmige als auch für die hochohmige Messung hochohmig gewählt werden, um einen Spannungsabfall über Z_a möglichst wenig zu beeinflussen. Besonders in dem Fall, dass als Auswerteeinheit 204 des Messsystems 200 ein Oszilloskop vorgesehen ist, ist eine entsprechende Wahl der Impedanz Z_b entscheidend, da der Eingangswiderstand des Oszilloskops üblicherweise in der Größenordnung von 1 MΩ liegt und damit nicht ausreicht. Die Wahl der Impedanzen Z_a und Z_b wird durch die Verwendung entsprechender Bauteile insbesondere im Megahertzbereich sichergestellt.This in 10 The equivalent circuit diagram shown contains over the from 9 derivable, to the measuring probe 100 '' Associated elements also include the impedances Z _a and Z _b , which are part of the measuring system outside the measuring probe 100 '' assigned. The choice of impedances Z _a and Z _b determines whether high-resistance and thus the plasma potential is measured or whether low-resistance and thus the floating potential is measured. Preferably, Z _{b is} fixed and only Z _{a is} varied. Z _b can in particular both for the low-resistance and for the high-resistance measurement can be selected to be high-resistance in order _{to influence a voltage drop across Z a} as little as possible. Especially in the case that as an evaluation unit 204 of the measuring system 200 If an oscilloscope is provided, an appropriate choice of the impedance Z _{b is} decisive, since the input resistance of the oscilloscope is usually of the order of 1 MΩ and is therefore not sufficient. The choice of impedances Z _a and Z _b is ensured by using appropriate components, particularly in the megahertz range.

Wird durch Wahl einer im Verhältnis zu Z_b niedrigen Impedanz Z_a niederohmig gemessen, kann die Kapazität C_S der Plasmarandschicht dominieren, so dass $Z_{1} \approx \frac{1}{j ω C_{1}} + j ω L_{1} .$

_{If Z a is} measured with low resistance by choosing an impedance that is low in relation to Z _b _{, the capacitance C S of} the plasma edge layer can dominate, so that

Z_{1} \approx \frac{1}{j ω {C.}_{1}} + j ω {L.}_{1} .

Mit anderen Worten ist für die niederohmige Messung die Impedanz Z_a so niedrig zu wählen, dass der Spannungsabfall über der Plasmarandschicht gegenüber dem Spannungsabfall über der Impedanz Z_a dominiert. Sind C₁, C₂ und L₁ bekannt, wie beispielsweise durch vorherige elektrische Vermessung der Messsonde 100'', kann also für eine gegebene Frequenz ω von dem an der Messelektrode 101'' gemessenen Potential V_pp auf das Floating-Potential V_ƒ geschlossen werden. Die Frequenz ω kann beispielsweise die Frequenz sein, mit der das Floating-Potential V_ƒ oszilliert. Insbesondere kann die Frequenz ω bei kapazitiven Hochfrequenzanregungen die Anregungsfrequenz sein, mit der das Floating-Potential V_ƒ oszilliert. Diese Frequenz ω wird bei der Messung mitbestimmt.In other words, the impedance Z _a should be selected so low for the low-resistance measurement that the voltage drop across the plasma edge layer dominates compared to the voltage drop across the impedance Z _a . If C ₁ , C ₂ and L _{1 are} known, for example through previous electrical measurement of the measuring probe 100 '' , can therefore for a given frequency ω different from that at the measuring electrode 101 '' measured potential V _{pp can be deduced} from the floating potential V _ƒ . The frequency ω can for example be the frequency with which the floating potential V _ƒ oscillates. In particular, in the case of capacitive high-frequency excitations, the frequency ω can be the excitation frequency with which the floating potential V _ƒ oscillates. This frequency ω is also determined during the measurement.

Zwar dominiert die Kapazität C_S der Plasmarandschicht bei einer niederohmigen Messung, allerdings gilt Gl. (10) nur approximativ. Für eine genauere Bestimmung des Floating-Potentials V_ƒ, insbesondere bei wenig dominanter Kapazität C_S, kann C_S auch rechnerisch abgeschätzt werden, um damit das Floating-Potential V_ƒ aus Gl. (7) unter Ausnutzung der vollen Gl. (8) zu bestimmen. Beispielweise kann dazu angenommen werden, dass $C_{s} = ε_{0} \frac{A}{d_{s}},$

wobei A einen Außenflächenbereich der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''', insbesondere eine Wechselwirkungsfläche der Messsonde 100, 100', 100'' 100''' mit dem Plasma, d.h. beispielsweise einen Teil einer Außenfläche der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' im Bereich des Sondenkopfes 120, 120', 120'', 120''', bezeichnet, und d_s eine Dicke der Plasmarandschicht bezeichnet. Im Falle einer U-förmigen dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' kann beispielsweise angenommen werden, dass A = 2πr_ad_l, wobei r_a den Außenradius der Kappe und d_l die Länge des Sondenkopfes 120, 120', 120'', 120''' bezeichnet. Die Plasmarandschichtdicke d_s ist gegeben durch

d_{s} = \frac{\sqrt{2}}{3} λ_{D} {(\frac{2 e V_{f}}{k_{B} T_{e}})}^{\frac{3}{4}},

wobei V_ƒ ein Gleichspannungswert des Floating-Potentials ist, der beispielsweise über eine Vergleichsmessung mit einer Langmuirsonde bestimmt werden kann. Die Plasmarandschichtdicke ist also ein Vielfaches der Debye-Länge λ_D, die gegeben ist durch

λ_{D} = \sqrt{\frac{ε_{0} k_{B}}{e^{2}}} \sqrt{\frac{T_{e}}{n_{e}}} .

Although the capacitance C _{S of} the plasma edge layer dominates in a low-resistance measurement, Eq. (10) only approximate. For a more precise determination of the floating potential V _ƒ , in particular with less dominant capacitance C _S , C _{S can} also be estimated mathematically in order to obtain the floating potential V _ƒ from Eq. (7) using the full Eq. (8) to be determined. For example, it can be assumed that

{C.}_{s} = ε_{0} \frac{A.}{d_{s}},

where A is an outer surface area of the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' , in particular an interaction surface of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' 100 ''' with the plasma, that is, for example, part of an outer surface of the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' in the area of the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' , and d _s denotes a thickness of the plasma edge layer. In the case of a U-shaped dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' For example, it can be assumed that A = 2πr _a d _l , where r _{a is} the outer radius of the cap and d _{l is} the length of the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' designated. The plasma edge layer thickness d _s is given by

d_{s} = \frac{\sqrt{2}}{3} λ_{D.} {(\frac{2 e V_{f}}{k_{B.} T_{e}})}^{\frac{3}{4th}},

where V _{ƒ is} a DC voltage value of the floating potential, which can be determined, for example, via a comparison measurement with a Langmuir probe. The plasma edge layer thickness is therefore a multiple of the Debye length λ _D , which is given by

λ_{D.} = \sqrt{\frac{ε_{0} k_{B.}}{e^{2}}} \sqrt{\frac{T_{e}}{n_{e}}} .

In Gl. (12) und Gl. (13) ist k_B die Boltzmann-Konstante und T_e die Elektronentemperatur des Plasmas. Durch Messen der Elektronendichte n_e und der Elektrontemperatur T_e mit einer zweiten Messsonde, beispielsweise mit einer Langmuir-Sonde, und unter Annahme eines Verhältnisses zwischen der Plasmarandschichtdicke d_s und der Debye-Länge λ_D, kann also die Kapazität der Plasmarandschicht C_S aus Gl. (11) und Gl. (12) abgeschätzt werden. Üblicherweise wird angenommen, dass das Verhältnis zwischen der Plasmarandschichtdicke d_s und der Debye-Länge λ_D etwa zwischen 3 und 5 liegt, das heißt 3 ≲ d_s/λ_D ≲ 5.In Eq. (12) and Eq. (13) k _{B is} the Boltzmann constant and T _{e is} the electron temperature of the plasma. By measuring the electron density n _e and the electric temperature T _e at a second measurement probe, for example with a Langmuir probe, and under the assumption of a ratio between the plasma edge layer thickness d _s and the Debye length λ _D, so the capacity of the plasma boundary layer C _S may be made of Gl. (11) and Eq. (12) can be estimated. It is usually assumed that the ratio between the plasma edge layer thickness d _s and the Debye length λ _{D is} approximately between 3 and 5, that is to say 3 ≲ d _s / λ _D ≲ 5.

Wird durch Wahl einer im Verhältnis zu Z_b hohen Impedanz Z_a hochohmig gemessen, kann die Kapazität C_s der Plasmarandschicht vernachlässigbar sein. In dem Fall kann der Spannungsabfall über Z₂ groß sein und das Plasmapotential bestimmt werden. Insbesondere ist für eine hochohmige Messung die Impedanz Z_a so hoch zu wählen, dass der Spannungsabfall über der Impedanz Z_a gegenüber dem Spannungsabfall über der Plasmarandschicht dominiert. _{If Z a is} measured with high resistance by choosing an impedance that is high in relation to Z _b _{, the capacitance C s of} the plasma edge layer can be negligible. In that case the voltage drop across Z _{2 can be} large and the plasma potential can be determined. In particular, for a high-resistance measurement, the impedance Z _a should be selected so high that the voltage drop across the impedance Z _{a dominates} over the voltage drop across the plasma edge layer.

Durch den Aufbau der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' als kapazitiver Spannungsteiler wird ermöglicht, dass nur ein kleiner Teil der dem Plasmapotential beziehungsweise dem Floating-Potential entsprechenden Spannung ausgekoppelt werden kann. Die Plasmabedingungen können somit besonders wenig durch die Messung verändert werden, was die Messung besonders „passiv“ macht.Due to the structure of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' as a capacitive voltage divider it is made possible that only a small part of the voltage corresponding to the plasma potential or the floating potential can be coupled out. The plasma conditions can therefore be changed very little by the measurement, which makes the measurement particularly "passive".

Das Plasmapotential und das Floating-Potential definieren die Energie, die beispielsweise auf ein zu beschichtendes Substrat eingetragen wird. Hierbei ist bezüglich der Ionen letztlich der Gleichspannungsanteil von Interesse. Oft kann dieses aber aus dem zeitlich variierenden Teil des Potential abgeschätzt werden. Außerdem ist es über eine Potentialmessung möglich, verschiedene Anlagen oder Elektrodenaufbauten, die unter Umständen zur selben Elektronendichte führen, zu vergleichen. Zudem kann durch eine Messung des zeitlich variierenden Potentials die Ionenenergie mit besonders hoher Genauigkeit und damit die Beschichtungsqualität besonders genau eingestellt und überprüft werden.The plasma potential and the floating potential define the energy that is applied, for example, to a substrate to be coated. With regard to the ions, the DC voltage component is ultimately of interest here. But often this can can be estimated from the time-varying part of the potential. In addition, a potential measurement makes it possible to compare different systems or electrode structures, which under certain circumstances lead to the same electron density. In addition, by measuring the potential that varies over time, the ion energy can be set and checked with particularly high accuracy and thus the coating quality can be set and checked particularly precisely.

Bei Messung sowohl des Plasmapotentials als auch des Floating-Potentials und Abschätzung der Gleichspannungsanteile kann aus der Differenz der Potentiale auch die Elektronentemperatur T_e analog zur Langmuirsonde berechnet werden.When measuring both the plasma potential and the floating potential and estimating the DC voltage components, the electron temperature T _e can also be calculated from the difference between the potentials, analogously to the Langmuir probe.

Aus den vorstehenden Erläuterungen zu 8 bis 10 ergibt sich, dass mit einer einzigen Messsonde 100, 100', 100'', 100''' mehrere wichtige für ein Plasma charakteristische Größen lokal, das heißt am Ort des Sondenkopfes 120, 120', 120'', 120''' im Plasma, bestimmt werden können, insbesondere die Elektronendichte, die Ionendichte, der zeitliche Verlauf des Plasmapotentials, der zeitliche Verlauf des Floating-Potentials und die Elektronenenergie-Wahrscheinlichkeitsfunktion. Die verschiedenen Messmodi zur Messung der verschiedenen Größen werden durch eine geänderte Ansteuerung der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' realisiert, wobei die Ansteuerung beispielsweise mittels des außerhalb eines Behälters für das Plasma angeordneten, an die Messsonde 100, 100', 100'', 100''' angeschlossenen Teils eines Messsystems 300 vorgenommen werden kann.From the above explanations to 8th until 10 it turns out that with a single measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' several important quantities characteristic of a plasma locally, that is to say at the location of the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' in the plasma, in particular the electron density, the ion density, the temporal course of the plasma potential, the temporal course of the floating potential and the electron energy probability function. The different measuring modes for measuring the different sizes are activated by a different control of the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' realized, the control for example by means of the arranged outside a container for the plasma, to the measuring probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' connected part of a measuring system 300 can be made.

Die Messqualität in den verschiedenen Messmodi kann sich in unterschiedlichen Ausführungsformen der Messsonde 100, 100', 100'', 100''' unterscheiden. Beispielsweise kann durch verschiedene Anordnungen der dielektrischen Kappe 103, 103', 103'', 103''' relativ zum Sondenkörper 110, 110', 110'', 110''' der Sondenkopf 120, 120', 120'', 120''' in seiner Größe und damit insbesondere der Wert der Kapazität C₁ geändert werden. Beispielsweise kann die Kapazität C₁ auf diese Weise als Kompromiss zwischen der Messqualität im aktiven Messmodus und der Messqualität im passiven Messmodus gewählt werden.The measurement quality in the different measurement modes can vary in different embodiments of the measurement probe 100 , 100 ' , 100 '' , 100 ''' differentiate. For example, by different arrangements of the dielectric cap 103 , 103 ' , 103 '' , 103 ''' relative to the probe body 110 , 110 ' , 110 '' , 110 ''' the probe head 120 , 120 ' , 120 '' , 120 ''' can be changed in its size and thus in particular the value of the capacitance C ₁ . For example, the capacitance C _{1 can be selected} in this way as a compromise between the measurement quality in the active measurement mode and the measurement quality in the passive measurement mode.

11 zeigt ein Plasmabeschichtungsverfahren 700, das ein Erzeugen 701 eines Plasmas mit einem Beschichtungsmaterial und ein Messen 702 einer für das Plasma charakteristischen Größe gemäß dem in 8 dargestellten Verfahren 600 aufweist. In dieser Ausführungsform werden die Schritte 701 und 702 zyklisch durchgeführt, wobei das Erzeugen des Plasmas in Schritt 701 in Abhängigkeit von der für das Plasma charakteristischen Größe erfolgt, die in einem vorhergehenden Schritt 702 gemessen worden ist. 11th shows a plasma coating process 700 that is a generating 701 a plasma with a coating material and measuring 702 a quantity characteristic of the plasma according to the in 8th presented procedure 600 having. In this embodiment, the steps 701 and 702 carried out cyclically, with the generation of the plasma in step 701 as a function of the variable characteristic of the plasma, which takes place in a previous step 702 has been measured.

In den Ansprüchen schließen die Wörter „aufweisen“ und „umfassen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.In the claims, the words “comprising” and “comprising” do not exclude other elements or steps, and the indefinite article “including” does not exclude a plurality.

Eine einzelne Einheit oder Vorrichtung kann die Funktionen mehrerer Elemente durchführen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die Tatsache, dass einzelne Funktionen und Elemente in unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass nicht auch eine Kombination dieser Funktionen oder Elemente vorteilhaft verwendet werden könnte.A single unit or device can perform the functions of several elements set out in the claims. The fact that individual functions and elements are listed in different dependent claims does not mean that a combination of these functions or elements cannot also be used to advantage.

Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht derart zu verstehen, dass der Gegenstand und der Schutzbereich der Ansprüche durch diese Bezugszeichen eingeschränkt ist.The reference symbols in the claims are not to be understood in such a way that the subject matter and the scope of protection of the claims are restricted by these reference symbols.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102006014106 B3 [0010]
DE 102010055799 B3 [0010]
US 6339297 B1 [0010]
US 6744211 B2 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

"Plasma Absorption Probe for Measuring Electron Density in an Environment Soiled with Processing Plasmas" by H. Kokura et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38, pages 5262 to 5266 (1999) [0140]

Claims

Measuring probe (100, 100 ', 100' ', 100' '') for measuring parameters characteristic of a plasma, the measuring probe (100, 100 ', 100' ', 100' '') having: - a probe body (110, 110 ', 110' ', 110' '') with a probe head (120, 120 ', 120' ', 120' ''), the probe body (110, 110 ', 110' ' , 110 '' ') extends along a longitudinal axis of the measuring probe (100, 100', 100 '', 100 '' ') and is adapted to measure the variables characteristic of a plasma with the probe head (120, 120', 120 ' ', 120' '') to be introduced into the plasma, - A measuring electrode (101, 101 ', 101' ', 101' '') which is arranged on the probe head (120, 120 ', 120' ', 120' ''), the probe body (110, 110 ', 110 '', 110 '' ') an electrical connection (102, 102', 102 '', 102 '') between the measuring electrode (101, 101 ', 101' ', 101' '') and a probe head (120, 120 ', 120' ', 120' '') provides the opposite part of the measuring probe (100, 100 ', 100' ', 100' '') along the longitudinal axis, - A dielectric cap (103, 103 ', 103' ', 103' ''), which extends over the measuring electrode (101, 101 ', 101' ', 101' '') and is formed, the measuring electrode (101, 101 ', 101' ', 101' '') from the plasma, whereby the measuring probe (100, 100 ', 100' ', 100' '') is set up to generate an opposing electrical field that removes negative charge carriers from the probe head ( 120, 120 ', 120' ', 120' '') displaced.

Measuring probe (100, 100 ') Claim 1 , characterized in that the measuring probe (100, 100 ') further has a counter-electrode (104, 104') which is arranged on the dielectric cap (103, 103 ', 103 ", 103"'), the probe body (110, 110 ', 110'',110''') provides an electrical connection (105) between the counter electrode (104, 104 ') and the part of the measuring probe (100, 100') opposite along the longitudinal axis, the measuring probe (100, 100 ') is set up to generate the opposing electric field by means of the counter electrode (104, 104').

Measuring probe (100, 100 ', 100'',100''') according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring probe (100, 100 ', 100 ", 100"') furthermore has a fastening element (106) , which is arranged on the probe body (110, 110 ', 110'',110'''), wherein the fastening element (106) is adapted to the dielectric cap (103, 103 ', 103'',103''') detachably attached to the probe body (110, 110 ', 110'',110'''), the counter electrode (104, 104 ') from the dielectric cap (103, 103', 103 '', 103 ''') is removable.

Measuring structure (110, 110 ', 110 ", 110"'; 101, 101 ', 101 ", 101"') for measuring parameters characteristic of a plasma, the measuring structure (110, 110 ', 110' ', 110' ''; 101, 101 ', 101' ', 101' '') has: - a probe body (110, 110 ', 110' ', 110' '') with a probe head (120, 120 ', 120' ', 120' ''), the probe body (110, 110 ', 110' ' , 110 '' ') along a longitudinal axis of the measuring structure (110, 110', 110 '', 110 '' '; 101, 101', 101 '', 101 '' ') is extended and adapted for measuring the for a Plasma of characteristic sizes to be introduced into the plasma with the probe head (120, 120 ', 120' ', 120' ''), and - A measuring electrode (101, 101 ', 101' ', 101' '') which is arranged on the probe head (120, 120 ', 120' ', 120' ''), the probe body (110, 110 ', 110 '', 110 '' ') an electrical connection (102, 102', 102 '', 102 '' ') between the measuring electrode (101, 101', 101 '', 101 '' ') and one of the probe heads (120 , 120 ', 120' ', 120' '') along the longitudinal axis provides the opposite part of the measuring structure (110, 110 ', 110' ', 110' ''; 101, 101 ', 101' ', 101' '') , wherein the measuring structure (110, 110 ', 110' ', 110' ''; 101, 101 ', 101' ', 101' '') is set up to generate an opposing electrical field that removes negative charge carriers from the probe head (120, 120 ', 120' ', 120' ''), and wherein the probe body (110, 110 ', 110' ', 110' '') is formed, a dielectric cap (103, 103 ', 103' ', 103 '' ') in such a way that after the recording it extends over the measuring electrode (101, 101', 101 '', 101 '' ') and the measuring electrode (101, 101', 101 '', 101 '' ') from the plasma.

Dielectric cap (103, 103 ', 103'',103''') for use with a measuring structure (110, 110 ', 110'',110'''; 101, 101 ', 101'',101''' ) after Claim 4 as a measuring probe (100, 100 ', 100'',100''') after one of the Claims 1 until 3 , wherein the dielectric cap (103, 103 ', 103 ", 103"') is designed to be received by the probe body (110, 110 ', 110 ", 110"') in such a way that the dielectric Cap (103, 103 ', 103'',103''') extends over the measuring electrode (101, 101 ', 101'',101''') and the measuring electrode (101, 101 ', 101'',101''') from the plasma.

Measuring system (300) for measuring parameters characteristic of a plasma, the measuring system having: - a measuring probe (100, 100 ', 100 ", 100"') according to one of the Claims 1 until 3 - A voltage device (201, 202) for generating an input signal and for generating the opposing electrical field, wherein the voltage device (201, 202), via an electrical connection (210) to the measuring probe (100, 100 ', 100 ", 100 '''), can be connected to the measuring electrode (101, 101', 101 '', 101 ''') for generating the input signal, and - a signal receiving unit (203) for receiving an output signal, the signal receiving unit (203) via the electrical connection (210) with the measuring probe (100, 100 ', 100'',100''') for receiving the output signal can be connected to the measuring electrode (101, 101 ', 101'',101'''), an evaluation unit (204) for determining the variables characteristic of the plasma based on the output signal.

Measuring system (300) Claim 6 , characterized in that the voltage device (201, 202) is adapted to provide the input signal at high frequency and to provide the opposing electrical field at low frequency or constant, the measuring system (300) having a high-pass filter (205) for filtering the output signal.

Measuring system (300) according to one of the Claims 6 and 7th , characterized in that a) the voltage device (201, 202) is adapted to the opposing electrical field via the electrical connection (210) with the measuring probe (100 ", 100"') on the measuring electrode (101, 101', 101 '', 101 '''), and / or in that b) the measuring probe (100, 100') according to Claim 2 is designed, wherein the voltage device (201, 202) is adapted to generate the opposing electrical field via the electrical connection (210) with the measuring probe (100, 100 ') on the opposing electrode (104, 104').

Measuring system (300) according to one of the Claims 6 until 8th , characterized in that the measuring system (300) is adapted for high-resistance measurement and for low-resistance measurement, the measurement system (300) being adapted as the variables characteristic of the plasma at least one variable selected from the group consisting of electron density, ion density, temporal Determine the course of the plasma potential, the temporal course of the floating potential and the electron energy probability function.

Measuring system (300) Claim 9 , characterized in that i) the voltage device (201, 202) is adapted to generate the input signal with varying frequency during a measurement period for measuring the electron density and not to generate an opposing electrical field, and the signal receiving unit (203) is adapted during the measurement period record the output signal, the evaluation unit (204) being adapted to determine the electron density on the basis of the input signal and the output signal, and / or in that ii) the voltage device (201, 202) is adapted, during a measurement period for measuring the ion density to generate the input signal with varying frequency and to generate the opposing electric field, and the signal receiving unit (203) is adapted to receive the output signal during the measurement period, the evaluation unit (204) being adapted to determine the ion density on the basis of the input signal and the output signal , and / or in that iii) the Si The signal receiving unit (203) is adapted to record the output signal with high resistance during a measurement period for measuring the time profile of the plasma potential, the evaluation unit (204) being adapted to determine the time profile of the plasma potential on the basis of the output signal recorded at high resistance, and / or thereby, that iv) the signal receiving unit (203) is adapted to record the output signal with low resistance during a measurement period for measuring the time profile of the floating potential, the evaluation unit (204) being adapted to record the time profile of the floating potential on the basis of the output signal recorded with low resistance and / or in that v) the voltage device (201, 202) and the signal receiving unit (203) are adapted to measure the electron energy probability function, to generate the input signal with varying frequency for different opposing fields and to receive the output signal, and the evaluation unit (204) is adapted to determine the electron energy probability function on the basis of the input signals generated for the different opposing fields and the output signals recorded for the different opposing fields.

Plasma coating system (500) with - a plasma generating device (400) for generating a plasma with a coating material, - a measuring system (300) for measuring parameters characteristic of the plasma according to one of the Claims 6 until 10 and - a control unit (501) for controlling the plasma generating device (400), the control unit being adapted to control the plasma generating device (400) as a function of the measured values characteristic of the plasma.

Measuring method (600) for measuring a quantity characteristic of a plasma, the method (600) comprising the following steps: - Introducing (601) a probe head (120, 120 ', 120' ', 120' '') of a measuring probe (100, 100 ', 100' ', 100' '') into the plasma, - Generating (602) an opposing electric field that displaces negative charge carriers from the probe head (120, 120 ', 120 ", 120"'), - Generating (603) an input signal at a measuring electrode (101, 101 ', 101' ', 101' '') of the measuring probe (100, 100 ', 100' ', 100' '') which is attached to the probe head (120, 120 ', 120' ', 120' '') is arranged, - Receiving (604) an output signal from the measuring electrode (101, 101 ', 101 ", 101"') which is indicative of a degree of absorption of the input signal by the plasma, and - Determining (605) the variable characteristic of the plasma based on the output signal.

Plasma coating method (700) with the steps: - generating (701) a plasma with a coating material, - measuring (702) according to a variable characteristic of the plasma Claim 12 and - controlling the generation (701) of the plasma as a function of the measured variable characteristic of the plasma.

Use a dielectric cap (103, 103 ', 103 ", 103"') according to Claim 5 with a measuring structure (110, 110 ', 110'',110'''; 101, 101 ', 101'',101''') according to Claim 4 to carry out the measuring method (600) according to Claim 12 .