DE19727882A1

DE19727882A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hochangeregter Plasmen mittels gepulster Funkenentladung

Info

Publication number: DE19727882A1
Application number: DE19727882A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Schultrich; Andreas Dr Lenk; Thomas Dipl Phys Witke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1998-01-29
Also published as: DE19727883A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung hochangeregter Gasplasmen mittels gepulster Funkenentladung, wie sie z. B. für die Reinigung von Oberflächen eines zu beschichtenden Substrates eingesetzt werden.

In der DE 42 08 764 C2 ist ein gasgefüllter Teilchenbeschleuniger angegeben, der aus einer Quelle für Plasmen hoher Dichte geladener Teilchen besteht, sowie aus einer Beschleunigungseinrichtung zwischen zwei Elektroden von denen die eine das Plasma teilweise mitbegrenzt und die andere außerhalb liegt. In diesem Beschleuniger ist mindestens ein dielektrischer Rohrraum eingerichtet, der mit einer Öffnung in der Elektrode beginnt und zur anderen Elektrode gerichtet ist. In diesem Rohrraum findet die Teilchenbeschleunigung raumladungsreduziert statt und der Teilchenstrahl wird elektrostatisch fokussiert.

Durch diese Vorrichtung wird die Funkenentladung entlang einer vorgegebenen Wegstrecke geführt. Durch die Öffnung in der Anode verläßt der Elektronenstrom die Entladungsstrecke und ist als Elektronenstrahl nutzbar.

Gemäß der DE 38 34 402 C1 wird ein gepulster Teilchen- oder Laserstrahl auf ein Spendertarget gerichtet. Durch den Strahl und infolge der Wechselwirkung des Teilchen- oder Laserstrahls mit der Festkörperoberfläche des Spendertargets wird auf dem Spendertarget ein Ablationsprozeß eingeleitet und die dabei entstehenden kleinen Tröpfchen gelangen auf ein geheiztes Substrat. Dadurch wird eine Schicht von Hoch-T_c-Oxidsupraleitern auf der Oberfläche dieses Substrates gebildet. Das Abtragen der Partikel von den Spendertarget während des Ablationsprozesses erfolgt eruptionsartig.

Durch die bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es nicht möglich, Gasplasmen mit Temperaturen 15 000 K zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sehr heiße Gasplasmen zu erzeugen, beispielsweise vollionisierten Stickstoff mit T ≈ 20 000 K.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine gepulste Funkenentladung kanalisiert. Dabei wird das Gas im Innenraum des dielektrischen Rohres als Plasmaquelle genutzt, da das Gas während der Entladung extrem erhitzt und in den Plasmazustand überführt wird. Aufgrund des hohen Temperatur- und Druckgradienten zwischen Entladungsstrecke und Außenraum wird das Plasma der Funkenentladung in den Außenraum gedrückt. Vor der anodenseitigen Öffnung des dielektrischen Rohres kann ein zu behandelndes Substrat positioniert werden.

Die Zündung der Entladung ist wechselseitig abhängig von der Geometrie des dielektrischen Rohres, der Spannung und dem Gasdruck und erfolgt beispielsweise durch einen Gasdurchbruch oder durch das Einbringen zusätzlicher Ladungsträger in das dielektrische Rohr. Um ein sehr heißes Plasma zu erzeugen, sind Durchschlagspannungen 15 kV erforderlich. Somit existiert ein in Abhängigkeit von der Geometrie des dielektrischen Rohres bestimmter gasabhängiger Druckbereich, in dem eine solche Funkenentladung gezündet werden kann. Für einen Kathoden- Anoden-Abstand von etwa 60 mm und Stickstoff als Atmosphäre gilt: p 1 Pa. Der Stickstoff wird dabei vollständig ionisiert (Ionisationsgrad ≈ 1,4). Nach Zündung der Entladung existiert diese etwa 150 ns und entwickelt sich in dieser Zeit zu einer Bogenentladung. Als Stromquelle der Entladung kann beispielsweise ein Kondensator dienen. Nach dessen Entladung erlischt die Funkenentladung. Das gepulste Regime gestattet extrem hohe Leistungen von etwa 20 MW während einer Entladung. Derartige Leistungen sind Voraussetzung für die Erzeugung eines sehr heißen Plasmas (T ≈ 15 000 K).

Der Elektronenstrom erzeugt innerhalb des dielektrischen Rohres einen leitfähigen Plasmakanal. Bei Drücken unter 1 Pa wird dabei auch Material der Kathode, der Anode und des dielektrischen Rohres mit verdampft. Um dies zu vermeiden werden Gasdrücke von 1 Pa realisiert. Gleichzeitig kann die Erosion der Kathode und Anode auch durch die Wahl des Materials weitgehend verhindert werden.

Einem Gasdruck von oberhalb 5 Pa sind gegenwärtig noch Grenzen gesetzt, da mit zunehmendem Gasdruck die Durchschlagsspannung in dem dielektrischen Rohr entsprechend der Pasche-Kurve unter 10 000 V abfällt und damit kein sehr heißes Plasma mehr erzeugt werden kann.

Über den Gasdruck läßt sich die Intensität der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrom und dielektrischen Rohr beeinflussen. Bei einem wie o.g. Kathoden-Anoden-Abstand und Stickstoff-Gasdrücken von p < 1 Pa ist die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrom und dielektrischem Rohr nur gering. Dann besteht das Entladungsplasma vor allem aus hochionisiertem Gas der Entladungsstrecke. Entsprechend wird bei p 1 Pa ein Plasma mit einem hohem Anteil an Rohrmaterial gebildet, welches zur Abscheidung von Schichten verwendet wird.

Über ein Extraktionsgitter ist die Extraktion von Ionen aus dem Plasma möglich. Das Gitter befindet sich gegenüber der Anode auf negativem Potential, so daß die Ionen des Plasmas in Gitternähe zusätzlich beschleunigt werden und sich deren kinetische Energie erhöht. Der Effekt der zusätzlichen elektrostatischen Beschleunigung der Ionen kann ebenfalls durch ein positiv oder negativ geladenes Substrat bewirkt werden.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In ein dielektrisches Rohr 2 aus BN mit einer Wanddicke von 2 mm, einer Rohrlänge von 7 cm und einem Innendurchmesser von 7 mm wird auf der einen Seite eine Kathode 1 eingebracht. Auf der anderen Seite des dielektrischen Rohres 2 wird die Anode 3 angeordnet. Der Abstand zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 beträgt 8 cm.

Durch die Entladung eines Kondensators mit einer Kapazität von 15 nF wird ein Gasdurchschlag von 20 000 V ausgelöst, der zur Zündung des Plasmas im Rohrinnenraum führt. Die Pulse folgen mit einer Frequenz von 5 Hz.

Die anodenseitige Öffnung des dielektrischen Rohres 2 ragt in einen Raum, dessen Atmosphäre aus Argon besteht. Der Gasdruck der Argon-Atmosphäre beträgt 2 Pa.

In diesem Raum mit der Argon-Atmosphäre befinden sich weiterhin das Substrat aus Silicium, was eine Spannung von - 30 V aufweist.

Vor dieses Substrat ist eine Extraktionsgitter angeordnet, das eine Gitterspannung von - 50 V aufweist.

Durch die Entladung des Kondensators wird in dem dielektrischen Rohr 2 eine Funkenentladung erzeugt. Durch die hohe Temperatur des Plasmas expandiert dieses und strömt zur anodenseitigen Öffnung in den Raum mit der sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Dort trifft es auf das Extraktionsgitter. Durch die Gitterspannung von - 50 V werden die positiv geladenen Teilchen des Plasma angezogen und zusätzlich beschleunigt. Danach treffen sie mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat. Dadurch wird das Substrat auf seiner Oberfläche gereinigt. Die Reinigung erfolgt einerseits durch die sehr hohe Geschwindigkeit der Teilchen und andererseits durch die hohe Temperatur des Plasmas.

Bezugszeichenliste

1 Kathode
2 dielektrisches Rohr
3 Anode
4 Plasmastrom

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung hochangeregter Gasplasmen mittels gepulster Funkenentladung bestehend aus einem dielektrischen Rohr (2), aus einer Vorrichtung zur Steuerung und Regelung eines Gasinnendruckes von p 1 Pa mindestens im dielektrischen Rohr (2), aus einer Kathode (1), die sich an oder in einer der Öffnungen des dielektrischen Rohres (2) befindet, aus einer Anode (3), die sich am anderen Ende des dielektrischen Rohres (2) befindet, aus einem Substrat, vor das ein Extraktionsgitter angeordnet sein kann, wobei Substrat und/oder Extraktionsgitter unter negativer Spannung stehen können, aus einer Anordnung, die eine Zündung der Entladung im dielektrischen Rohr hervorruft, wobei mindestens die anodenseitige Öffnung des dielektrischen Rohres (2), die Anode (3) und das Substrat mit dem Extraktionsgitter sich innerhalb eines Raumes befinden, in dem eine inerte oder reaktive Atmosphäre oder ein Vakuum vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem eine Kathode (1) aus Metall, Halbleiter oder Kohlenstoff eingesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem eine Anode (3) aus Metall, Halbleiter oder Kohlenstoff eingesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Stromquelle zur Zündung der Funkenentladung ein Kondensator ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem mindestens die anodenseitige Öffnung des dielektrischen Rohres (2), die Anode (3) und das Substrat mit dem Extraktionsgitter sich innerhalb eines Raumes befinden, in dem eine Stickstoff- oder Argon- oder Sauerstoff- oder Methan-Atmosphäre oder eine Atmosphäre aus organischen reaktiven Gasen vorhanden ist.

6. Verfahren zur Erzeugung hochangeregter Gasplasmen mittels gepulster Funkenentladung in einer Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, bei dem im Innenraum eines dielektrischen Rohres (2) durch eine Funkenentladung ein Plasma erzeugt wird und bei dem der Druck des Gases mindestens im dielektrischen Rohr (2) auf einen Wert p 1 Pa eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Gasdruck von p = 1,5-5 Pa eingestellt wird.