NL8701530A - Werkwijze voor het behandelen van oppervlakken van substraten met behulp van een plasma en reactor voor het uitvoeren van die werkwijze. - Google Patents

Description

ft - 1 -

WERKWIJZE VOOR HET BEHANDELEN VAN OPPERVLAKKEN VAN SUBSTRATEN MET BEHULP VAN EEN PLASM EN REACTOR VOOR HET UITVOEREN VAN DIE WERKWIJZE

De uitvinding betreft een werkwijze voor het behandelen van oppervlakken van substraten met behulp van een plasma, waarbij een plasma wordt opgewekt in tenminste één plasmaopwekker die via tenminste één plasmainlaat in verbinding staat met een plasma-behandelruimte waarin de 5 druk lager is dan in de plasmaopwekker waardoor er een stroming van het plasma ontstaat van genoemde plasmaopwekker naar genoemde plasma-behandelruimte, waarbi j genoemde plasmaopwekker in verbinding staat met tenminste één inlaat voor een reactant en waarbij het te behandelen substraat onderdeel kan zijn van tenminste één extra ontlading. Onder 10 plasmaopwekker dient men te verstaan het gedeelte waarin het plasma wordt opgewekt, onder plasma-behandelruimte het gedeelte waar de oppervlaktebehandeling plaatsvindt. Onder behandeling van oppervlakken van substraten met behulp van een plasma moet men hier plasma etsen, plasma depositie, plasma polymerisatie of plasma modificatie verstaan, dat wil 15 zeggen het aanbrengen of verwijderen van een laag materiaal op respectievelijk van het substraat of het wijzigen van de structuur van het oppervlak van het substraat gebruik makend van een plasma. Een dergelijke werkwijze is bekend uit de proceedings van de ISPC-VII conferentie (Eindhoven, 1985, pag 698-703) en uit de SASP proceedings (Oberdraun, 20 Oostenrijk, 1986, pag 181-187).

Volgens deze bekende werkwijze, die volgens de genoemde publicaties alleen geschikt is voor plasma depositie met behulp van gasvormige reactanten, zijn plasma productie en oppervlakte behandeling ruimtelijk gescheiden doordat het plasma in de te gebruiken reactant wordt opgewekt * ^ A 1 F η .A A· . W I ö C! u f - 2 - in een cascadeboog, waarna het door een supersone expansie in een vacuümsysteem in de vorm van een snel stromende plasmastraal naar het te behandelen substraat wordt getransporteerd, welk substraat onderdeel kan zijn van een extra ontlading om de energie van de reactieve plasma 5 deeltjes te vergroten.

Bij een dergelijke werkwijze kan het plasma volgens bekende technieken, behalve met een cascadeboog, op een aantal verschillende manieren opgewekt worden, zoals capacitief of inductief gekoppelde RF velden, microgolven of andere types gelijkstroom (DC) of wisselstroom (AC) bogen 10 of ontladingen.

Aan de in de genoemde publicaties beschreven werkwijze kleven een aantal nadelen. Zo zal ten eerste bij directe injectie van een reactief gasmengsel in de plasmaopwekker het plasma verontreinigd worden in het geval dat cathodes gebruikt worden voor de opwekking van een plasma van 15 hoge temperatuur (b.v. hoger dan 2000 Kelvin), daar de genoemde cathodes ongewenst reageren met reactieve atomen (b.v. koolstof, halogenen en zuurstof) afkomstig van het reactant, onder vorming van verbindingen die of gasvormig zijn, öf verdampen, of sublimeren en het plasma verontreinigen en de cathodes doen verslijten. Ten tweede heeft toepassing van 20 electrisch geleidende vaste stoffen (b.v. wolfram of grafiet) als cathodes, in geval dat aanwezigheid van (delen van) de moleculen van het cathodemateriaal niet gewenst is bij de oppervlaktebehandeling, het nadeel dat meestal de ontwikkelde warmte de cathodes gedeeltelijk doet smelten en verdampen waardoor het plasma nog verder verontreinigd wordt. 25 Ten derde is de in de genoemde publicaties beschreven werkwijze ongeschikt voor het verwerken van andere dan gasvormige reactanten hetgeen een bezwaar is als oppervlakte behandeling gewenst wordt met • behulp van een materiaal dat alleen in vloeibare vorm of als vaste stof È7CM 5 3 0 * * - 3 - voorhanden is.

Ten vierde geeft de eerstgenoemde publicatie (en via een referentie daarin, impliciet ook de als tweede genoemde publicatie) aan dat het gat in de anode van de boog waardoor het plasma geëxtraheerd wordt een 5 diameter dient te hebben (in de publicaties 1 mm) die kleiner is dan de diameter van het plasmakanaal (4mm) waarmee een zgn. sonische nozzle ontstaat wat onverwacht tot stagnatie van de stroming en dientengevolge tot depositie van materiaal op ongewenste plaatsen kan leiden.

Ten vijfde blijkt uit de publicaties dat de warmtebelasting van de 10 substraten slechts kan worden beïnvloed door de energieën en de dicht-heidsverhoudingen van de actieve plasma deeltjes wezenlijk te veranderen, wat nadelig is omdat dan ook de kwaliteit van de oppervlaktebehandeling (b.v. in geval van plasma depositie de kwaliteit van de gedeponeerde laag) wezenlijk verandert. De genoemde beïnvloeding (meest-15 al verlaging) van de warmtebelasting is van belang bij substraten die slechts een beperkte warmtebelasting kunnen verdragen.

Ten zesde kan bij een werkwijze volgens de publicaties de mate-riaalefficiëntie, i.e. de fractie van de toegevoerde hoeveelheid reactant die ook daadwerkelijk op de gewenste plaats (in casu het substraat) 20 arriveert èn zijn werking heeft, niet worden beïnvloed.

Met de uitvinding wordt beoogd een werkwijze en een daarbij te gebruiken reactor volgens het genoemde principe te verschaffen die deze nadelen niet vertonen.

Volgens de uitvinding kan het eerstgenoemde bezwaar verholpen 25 worden door de plasma opwekker te doorstromen met een schutgas. Bij voorkeur wordt een gasvormig of vloeibaar reactant (stroomafwaarts gezien) eerst in de plasmaopwekker toegevoegd nadat de cathode(s) is f* ? ü i 5 3 (> * - 4 - (zijn) gepasserd door genoemd schutgas. Onder schutgas dient men hier te verstaan een gas dat geen fragmenten bevat die ongewenst reageren met onderdelen van de plasmaopwekker. In het bijzonder de cathode(s) van de plasmaopwekker dient men te beschermen tegen de inwerking van reagerende 5 fragmenten van de moleculen waaruit het schutgas is opgebouwd. De ef fectiviteit van deze maatregelen kan volgens de uitvinding nog verhoogd worden door het schutgas met een snelheid van tenminste 1 m/s, doch bij voorkeur met een snelheid van minstens 10 m/s door de plasmaopwekkers te voeren, terwijl de druk in genoemde plasmaopwekker groter is dan 0.01 10 Bar, waardoor terugdiffusie van (delen van) het reactant naar de catho-de(s) sterk geremd of zelfs voorkomen wordt.

Het als tweede genoemde bezwaar wordt volgens de uitvinding ondervangen indien de temperatuur van de cathode(s) tijdens bedrijf beneden het smeltpunt van het cathodemateriaal gehouden wordt. In een reactor 15 volgens de uitvinding waarin de werkwijze volgens de uitvinding wordt toegepast kan men dit bereiken door de cathode(s) te vervaardigen van een materiaal met een hoge electronen-emissie, bij voorkeur een legering van 0.1-10 % thorium in wolfram. Een bekend nadeel van het toepassen van genoemde materialen als cathodemateriaal, namelijk het tijdens bedrijf 20 langzaam segregeren van één der componenten van het materiaal naar de oppervlakte gevolgd door verdamping, speelt bij een werkwijze die volgens de uitvinding wordt uitgevoerd geen rol van betekenis omdat de verhouding tussen de hoeveelheid verdampt cathode-ma-teriaal en de 9 toegevoerde hoeveelheid reactant zeer klein is (b.v. kleiner dan 1:10 ) 25 wat in combinatie met de eventueel mogelijke grote gasefficiëntie slechts een zeer minieme verontreiniging (b.v. minder dan 1 miljardste deel) van het te behandelen substraat kan opleveren.

‘ ) z ó 0 ft - 5 -

Het als derde genoemde bezwaar wordt volgens de uitvinding in geval van vloeibare reactanten opgeheven indien deze in de plasma opwekker worden geïnjecteerd door tenminste één gat met een diameter van 0.0001-0.5 mm, bij voorkeur van 0.005-0.1 mm, in de wand van genoemde 5 plasma opwekker. Om vroegtijdige verdamping tegen te gaan is de vloei-stofdruk vóór genoemd gat bij voorkeur groter dan de gasdruk in de plasmaopwekker. Indien het vloeibare reactant reeds verdampt is vóór het het plasma in de plasma opwekker bereikt heeft, heeft men eigenlijk te maken met injectie van een gasvormig reactant. Bij gebruik van reac-10 tanten in de vorm van een vaste stof kan men deze volgèns de uitvinding in de gasvormige fase doen overgaan door middel van tenminste één in de plasma-behandelruimte en/of in de plasmaopwekker aanwezige ontlading.

Het reactant wordt dan onderworpen aan een bombardement van reactieve deeltjes (electronen, ionen) met een hoge energie (b.v. 200 electron 15 Volt), waardoor het reactant snel zal verdampen of sublimeren. Eenmaal in de gasvormige fase wordt het dan door het schutgas met groot rendement naar het te behandelen substraat vervoerd.

Het vierde bezwaar kan volgens de uitvinding opgeheven worden door in een reactor volgens de uitvinding de plasmaopwekker(s) en de plasma-20 inlaat (inlaten) een zodanige geometrie te geven dat er, lang de richting van de stroming gezien, geen plotselinge vernauwing van het (de) gevormde kanaal (kanalen) optreedt. Hierdoor wordt stagnatie van de stroming voorkomen, en daarmee ook de depositie van materiaal op ongewenste plaatsen. Bij voorkeur zal de diameter van het door de plasma-25 opwekker(s) en de plasmainlaat (-inlaten) gevormde kanaal langs de richting van de stroming gezien geleidelijk verlopen. De algemeen aan deze oplossingen klevende bezwaren, zoals het feit dat de druk aan het einde van de plasmaopwekker relatief vrij laag wordt wat kan leiden tot p'7 n 1 5 3 0 é - 6 - ongewenst hoge temperaturen en ruimtelijke uitbreiding van het plasma, worden ondervangen door een speciale constructie van de plasmaopwekker die of ongevoelig is voor de laatstgenoemde bezwaren of deze ondervangt.

Het als vijfde genoemde bezwaar wordt volgens de uitvinding onder-5 vangen indien men de snelheid waarmee de plasma-behandelruimte wordt afgepompt instelbaar maakt van 0-100000 1/s, bij voorkeur echter van 50-1000 1/s. Dit kan men doen door bijvoorbeeld in de pompleiding een (continu of in stappen) regelbare afsluiter op te nemen, Met de pomp-snelheid kan nu de daaraan via een diffusieproces gekoppelde diameter 10 van de resulterende plasmastraal gevarieerd worden, terwijl de snelheden waarmee de reactieve plasma deeltjes naar het te behandelen substraat vervoerd worden, en daarmee impliciet ook de dichtheidsverhoudingen en de energieën van de voornoemde deeltjes, nauwelijks veranderen, hetgeen resulteert in een regelbare belasting van voornoemd substraat met een 15 bundel waarvan de arriverende hoeveelheid deeltjes (en dus ook energie) per oppervlakte-eenheid in te stellen is zonder de andere experimentele parameters wezenlijk te veranderen.

Aan het zesde bezwaar wordt volgens de uitvinding tegemoet gekomen indien de diameter van de door de plasmaopwekker gegenereerde plasma-20 straal actief wordt beïnvloed. Onder actieve beïnvloeding dient men hier te verstaan beïnvloeding op een andere wijze dan via de pomp-snelheid. Indien de materiaaleificiëntie verkleind dient te worden vindt volgens de uitvinding deze beïnvloeding bij voorkeur plaats door de reeds genoemde plasmastraal door een skimmer te voeren. Indien de ma-25 teriaalefficiëntie vergroot dient te worden vindt genoemde beïnvloeding bij voorkeur plaats door het aanleggen van een magnetisch veld. Een skimmer snijdt als het ware een gedeelte uit genoemde plasmastraal zodanig dat het overige deel van die straal niet in contact komt met het

870 1 53C

- 7 - te behandelen substraat. Een magnetisch veld daarentegen houdt (vooral de electrisch geladen) reactieve plasmadeeltjes bij elkaar en verhoogt de intensiteit van de plasmastraal die in dit geval is gekoppeld met de (kleiner wordende) diameter van de plasmastraal.

5 Voor de goede orde dient opgemerkt te worden dat de hiervoor be sproken toevoeging van het reactant in de plasmaopwekker plaats kan vinden op elke willekeurige positie in genoemde plasmaopwekker, dus ook aan het uiteinde ervan, in casu de plasmainlaat.

Volgens de uitvinding kan de temperatuur van het te behandelen 10 substraat ingesteld worden van 70-1500 Kelvin, bij voorkeur van 273-1000 Kelvin. Elk concreet proces voor oppervlaktebehandeling waarvoor de werkwijze volgens de uitvinding wordt toegepast heeft namelijk zijn eigen optimale temperatuur, waarbij het proces het meest naar wens verloopt.

15 De uitvinding zal hieronder aan de hand van een uitvoeringsvoor- beeld van de werkwijze en een tekening van de constructie van een reactor volgens de uitvinding nader worden omschreven.

Figuur 1 toont schematisch een lengte-doorsnede van de reactor volgens de uitvinding.

20 In Figuur 2 wordt een cascade boog plasmaopwekker weergegeven.

Figuur 3 geeft een doorsnede weer van een inlaat voor gasvormige reactanten in de in Figuur 2 omschreven cascadeboog.

Figuur 4 illustreert hoe vloeibare reactanten in de in Figuur 2 getekende cascadeboog kunnen worden geïnjecteerd.

25 Figuur 5 geeft aan hoe reactanten in de vorm van een vaste stof kunnen worden onderworpen aan een ontlading die het materiaal doet verdampen, sublimeren of sputteren.

f 7 * 1 5 3 0 t - 8 -

In Figuur 6 wordt aangegeven hoe de nozzle zodanig kan worden ontworpen dat er geen stagnatie van de stroming optreedt.

Het in de tekeningen 1 t/m 6 weergegeven uitvoeringsvoorbeeld van een reactor volgens de uitvinding omvat huis 1 dat bestaat uit kamer 2, 5 waarin zich plasma opwekker 13 (schematisch als een doos weergegeven) bevindt, en plasma behandelruimte 3. Plasma inlaat 4 bevat bij voorkeur een in plasma behandelruimte 3 uitmondende nozzle. Resulterende plasma-straal 8 is gericht op oppervlak 9 van het te behandelen substraat. Het substraat wordt in positie gehouden met houder 10 die door middel van 10 een koelkanaal en/of ingebouwde stookdraden (niet getoond in Figuur 1) op een temperatuur in het gebied van 70-1000 Kelvin gehouden kan worden en electrisch geïsoleerd is uitgevoerd ten opzichte van huis 1 waardoor hij onderdeel tetn zijn van één of meerdere extra ontladingen in plasma behandelruimte 3. In het geval een vloeibaar of gasvormig reactant 15 gebruikt dient te worden vindt de injectie hiervan in plasmaopwekker 13 plaats via inlaat 11, terwijl het schutgas toegevoerd wordt via inlaat 12 om (semi-) continu bedrijf van de reactor mogelijk te maken. Het schutgas kan bestaan uit een willekeurig mengsel van gassen die na dissociatie geen fragmenten opleveren die onderdelen van plasmaopwekker 20 13 beschadigingen, b.v. edelgassen, waterstof of stik-stof. De verhouding tussen de geïnjecteerde hoeveelheden schutgas en reactant 3 (uitgedrukt in m /s gasequivalent STP, waarbij STP staat voor standard temperature and pressure, i.e. 273 Kelvin en 1 Bar) ligt in het gebied van 1-1000, bij voorkeur van 8-400. Het vloeistof- of gasvormige 25 reactant bevat bij voorkeur minstens één dissocieerbare en ioniseerbare verbinding, zoals (mogelijk gehalogeneerde) koolwaterstoffen.

Om gecontroleerd plasma oppervlakte behandeling te kunnen bedrijven zonder ongewenste producten in plasma straal 8 wordt het proces volgens A 7 0 1 Γ, o i a - 9 - de uitvinding uitgevoerd door de druk in plasmaopwekker 13 boven 0.1 Bar te houden, en bij voorkeur in het gebied van 0.3-5 Bar. Plasma-behandel-ruimte 3 wordt bij voorkeur bedreven bij een onafhankelijk van de toegevoerde hoeveelheid schutgas en/of reactant in te stellen druk beneden 5 0.05 Bar (=5kPa), en in het bijzonder beneden 200 Pa. Deze drukken kunnen gerealiseerd worden door plasma behandelruimte 3 via uitlaat 14 en regelbaar ventiel 16 af te pompen met b.v. een Roots blower (niet weergegeven in Figuur 1), terwijl via uitlaat 15 een olie diffusiepomp _3 het huis 1 op een lage druk (<10 Pa) houdt wanneer de reactor niet 10 gebruikt wordt; dit om vervuiling te voorkomen. Onderdeel van plasma behandelruimte 3 kan zijn een mogelijk watergekoelde skimmer 17, waardoor de diameter van plasmastraal 8 beïnvloed kan worden. Indienwense-lijk wekken magneetspoelen 7 een magneetveld op dat wederom de diameter van plasmastraal 8 beïnvloedt. Reactanten in de vorm van een vaste stof 15 worden bijvoorbeeld in plasmastraal 8 gemengd nadat ze zijn vrijgemaakt uit de vaste fase door een sputterende ontlading, waarvan cathode 6 het reactant (bijvoorbeeld een metaal als koper) bevat en, evenals anode 18, electrisch geïsoleerd is van huis 1.

Zoals reeds vermeld wordt een plasma van hoge temperatuur bij 20 voorkeur opgewekt in een cascadeboog. Figuur 2 representeert een princi-peschets van de constructie die een centraal kanaal 19 bevat meteen lengte van b.v. 40-80 mm en een diameter van 2-6 mm waardoor tijdens bedrijf een gelijkstroom loopt van nozzlevormige anode 5 naar 3 stuks cathodetips 20 (waarvan er in Figuur 2 slechts één is weergegeven) ter 25 grootte vein 20-200 A. De drie cathodetips, gemaakt van bijvoorbeeld een legering van 2 % thorium in wolfram, zijn bij voorkeur rotatie-sym- metrisch rond centraal kanaal 19 gerangschikt, en zijn gemonteerd in de

holle houders 22 waarin koelwater wordt aangevoerd door schacht 21. I

*79 1 530- I

f β - 10 -

Houders 22 zijn minstens gedeeltelijk gevat in isolerende mantel 23 gemaakt van b.v. kwarts en worden in positie gehouden door schroef 24 die een rubber ring (niet getekendin Figuur 2) comprimeert en daarmee houder 22 vacuum-dicht vastklemt. Schacht 21 wordt door schroef 25 5 vastgeklemd in houder 22.

Het voltage over de boog is bij voorkeur 20-200 V, in het bijzonder van 50-150 V. Het plasma in centraal kanaal 19 wordt gestart door de druk in de boog te verlagen bij een aangelegde spanning van ca 1000 V totdat doorslag optreedt en er een grote (b.v. >10 A) stroom gaat lopen, 10 waarna de druk snel (b.v. binnen 5 sec) verhoogd wordt tot de gewenste waarde waardoor de boog gevormd wordt nadat alle tussenliggende onla-dingsfasen doorlopen zijn.

De cascadeplaten 26, gemaakt van b.v. koper, zijn van een eenvoudig ontwerp. Door de hoge temperaturen (ca 10000 K) en vermogensdichtheden 15 in het plasma moeten de platen gekoeld worden (b.v. met water). Kanalen voor de koelvloeistof (niet getekend in Figuur 2) zijn dicht bij het centrale kanaal 19 in de platen aangebracht wat een goede warmte-afvoer waarborgt. De cascadeplaten 26 zijn onderling gescheiden en electrisch geïsoleerd door middel van een systeem van O-ring afdichtingen 27, 20 spacers 28 (b.v. uit Polyvinylchloride) en centrale ringen 29 gemaakt van Boron Nitride. De afdichtingen zorgen ervoor dat de boog kan worden bedreven bij drukken van b.v.0.05-5 Bar. The centrale ringen 29 hebben een witte kleur en reflecteren het licht dat door het plasma wordt uitgezonden. Hun doel is het de 0-ring afdichtingen te beschermen tegen 25 smelten onder invloed van absorptie van plasmalicht.

Aan het eind van het kanaal 19, tegenover de drie cathodes 20, bevindt zich de anode 5. Ze bestaat uit een gemakkelijk uitneembaar conisch inzetstuk, dat door aandrukring 32 licht in een conisch gat in 8 7 0 1 5 3 o a - 11 - watergekoelde plaat 30 (b.v. gemaakt van koper) gedrukt wordt. Koelwater wordt aangevoerd via inlaat 31 en af gevoerd via uitlaat 32. Het genoemd inzetstuk is b.v. gemaakt uit zuurstof-arm koper, en wordt gedetailleerder beschreven in Figuur 6. Plaat 30 is electrisch geïsoleerd van 5 huis 1 door isolerende mantel 33.

De stapel van b.v. 10 cascadeplaten wordt gemonteerd op anodeplaat 30 met bout 34 en moer 35. Bout 34 is electrisch geïsoleerd door middel van mantel 37, kapje 39 en ringen 38,40. Het plasma in centraal kanaal 19 kan worden geobserveerd door met vensterhuls 42 op vensterhouder 43 10 gemonteerd venster 41. Vensterhouder 43 bevat ook invoer 12 waardoor het schutgas wordt aangevoerd.

De in Figuur 3 geschetste inlaat voor gasvormige reactanten is al grotendeels beschreven, omdat ze bestaat uit de twee tegenoverliggende oppervlaktes van twee aangrenzende cascadeplaten 26 en 45, waarvan 15 minstens één plaat (45) voorzien is van kanaal 46 waardoor het gasvormige reactant kan worden geïnjecteerd in centraal kanaal 19 via een uitsparing ter dikte van b.v. 0.1 mm in centrale boron nitride ring 29.

Kanaal 46 is zodanig aangebracht dat het geen contact maakt met koel-kanaal 47.

20 De in Figuur 4 getekende inlaat voor vloeibare reactanten in cen traal kanaal 19 bestaat uit ten minste één capillair 48 gemonteerd in cascadeplaat 26 zodanig dat koelkanaal 47 niet geraakt wordt. De diameter van capillair 48 moet zodanig worden gekozen dat de onder hogere druk dan die heersend in plasmakanaal 19 aangevoerde vloeistof pas aan 25 het eind van genoemd capillair, bij de uitmonding in centraal kanaal 19, verdampt.

De in figuur 5 geschetste mogelijk toe te passen hulpontlading bevat een cathode 51 die het reactant bevat indien dit een vaste stof - Ui 53 0

S

- 12 - is, voorzien is van koelkanaal 52, en evenals anode 50 electrisch geïsoleerd van het in Figuur 1 getekende huis 1 is uitgevoerd en een bepaalde afstand (b.v. 10 cm) verwijderd is van de symmetrie-as van de in Figuur 1 getekende plasmastraal 8. Indien deze ontlading wordt bedreven bij een 5 spanning van b.v. 200-1000 V, en een stroomdichtheid van b.v. 50-1000 2 mA/cm wordt er reactant materiaal gasvormig gemaakt (b.v. door sputteren) en gemengd in plasmastraal 8.

Figuur 6 geeft een voorbeeld van de constructie van een supersone nozzle die gebruikt kan worden om depositie van materiaal op ongewenste 10 plaatsen in de plasmaopwekker te voorkomen. Aansluitend aan de laatste cascadeplaat 26 en de laatste boron nitride ring 29 wordt inzetstuk 52 in anodeplaat 30 gedrukt door aandrukring 32. Het gat in inzetstuk 52 heeft in het begin een diameter die groter is dan de diameter van centraal kanaal 19 en die vervolgens toeneemt zodat het kanaal verwijdt met 15 een hoek van b.v. meer dan 10 graden t.o.v. de symmetrie-as van centraal kanaal 19. De binnenwand 53 van inzetstuk 52 dient glad (b.v. met een oppervlakteruwheid kleiner dan 0.1 micrometer) afgewerkt te worden.

Bij voorkeur wordt de complete cascadeboog plasmaopwekker zodanig in verbinding met een relatief groot vacuümsysteem gebracht dat het 20 plasma door anode-nozzle 5 geëxtraheerd kan worden. De pompsnelheid dient zo groot gekozen te worden dat de expansie in de sub-atmosferische plasma behandelruimte 3 een supersoon karakter draagt. In dat geval wordt het evenwicht van het boogplasma ingevroren. Drie-deeltjes- en stralingsrecombinatie processen zijn te langzaam om een substantiële 25 vermindering van het aantal reactieve plasmadeeltjes te laten optreden alvorens het te behandelen substraat bereikt wordt. Omdat de gas- en electronen-temperatuur in het boogplasma beide een waarde hebben van ca B 7 CM f30 5 a - 13 - 10000 K is de geluidssnelheid ca. 1750 m/s. Dit feit begrenst de massa-flow daar de geluidssnelheid bereikt wordt bij de plaats met de kleinste diameter (in de meeste gevallen de nozzle of het einde van het boog-kanaal).

5 Naast supersone expansie treedt er nog een ander effect op dat de efficiëntie van het proces sterk vergroot. Doordat de electronen een grotere mobiliteit hebben dan ionen zullen ze gemakkeLijker naar de buitenste regionen van de expansie kunnen bewegen. Daardoor wordt er in de evenwichtssituatie een zodanige ruimteladingsverdeling geschapen dat 10 de resulterende electrische veldsterkte de electronen zodanig af remt dat ze met de zelfde snelheid diffunderen als de ionen (concept van ambipolaire diffusie). In combinatie met de hoge systematische gassnelheid in de supersone expansie houden de electronen dan het plasma bijeen zodat een intense plasmastraal ontstaat. Het ionisatie-evenwicht in het 15 boogplasma wordt nu dus op een efficiënte manier naar het te behandelen substraat vervoerd. De neutrale deeltjes kunnen vrij expanderen en een aantal van hen zal het substraat 9 nooit bereiken. Omdat de tijd die de reactieve plasmadeeltjes nodig hebben om na extractie uit de plasma-opwekker over te steken naar het substraat slechts ca. 1 msec bedraagt 20 is het onwaarschijnlijk dat de relatieve samenstelling van de plasmastraal verandert door recombinatie- of associatie processen.

b ? C ^ r, 3 o

Claims (25)

1. Werkwijze voor het behandelen van oppervlakken van substraten met behulp van een plasma, waarbij een plasma wordt opgewekt in tenminste één plasmaopwekker die via tenminste één plasmainlaat in verbinding staat met een plasma-behandelruimte waarin de druk lager is dan in 5 genoemde plasmaopwekker waardoor er een stroming van het plasma ontstaat van genoemde plasmaopwekker naar genoemde plasma-behandelruimte, waarbij genoemde plasmaopwekker in verbinding staat met tenminste één inlaat voor een reactant en waarbij het te behandelen substraat onderdeel kan zijn van tenminste één extra ontlading met het kenmerk dat de plasma-10 opwekker doorstroomd wordt met een schutgas.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk dat het bij voorkeur gasvormige of vloeibare reactant stroomafwaarts gezien eerst in de plasmaopwekker wordt toegevoegd nadat de cathode(s) is (zijn) gepasseerd door het schutgas.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat de moleculen waaruit het schutgas is opgebouwd geen fragmenten bevatten die reageren met het cathodemateriaal.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat terugdiffusie van (delen van) het reactant naar de cathode(s) sterk 20 geremd of voorkomen wordt door het schutgas met een snelheid van minstens 1 m/s, doch bij voorkeur met een snelheid van minstens 10 m/s B?01530 J * - 15 - door de plasmaopwekker(s) te voeren, terwijl de druk in de plasmaopwek-ker(s) groter is dan 0.01 Bar.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de temperatuur van de cathode(s) tijdens bedrijf beneden het smeltpunt 5 van het cathodemateriaal gehouden wordt.

6. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat vloeibare reactanten in de plasmaopwekker worden geïnjecteerd door tenminste één gat met een diameter van 0.0001-0.5 mm, bij voorkeur van 0.005-0.1 mm in de wand van genoemde plasmaopwekker.

7. Werkwijze volgens conclusie 6 met het kenmerk dat de vloeistof druk vóór het gat groter is dan de gasdruk in de plasmaopwekker.

8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat er in de plasma-behandelruimte en/of in de plasmaopwekker tenminste één ontlading aanwezig is die een reactant in de vorm van een vaste stof in 15 de gasvormige fase doet overgaan.

9. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de snelheid waarmee de plasma-behandelruimte wordt afgepompt instelbaar is van 0-100000 1/s, bij voorkeur echter van 50-1000 1/s.

10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat 20 de diameter van de door de plasmaopwekker gegenereerde plasmastraal actief wordt beïnvloed. i* / v * 5 3 0 - 16 - * »

11. Werkwijze volgens conclusie 10 met het kenmerk dat de genoemde beïnvloeding plaatsvindt door de genoemde plasmastraal door een skimmer te voeren.

12. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11 met het kenmerk dat de genoemde 5 beïnvloeding plaatsvindt door het aanleggen van een magnetisch veld.

13. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de toevoeging van het reactant in de plasmaopwekker eerst plaatsvindt aan het uiteinde van genoemde plasmaopwekker, in casu in de plasma-inlaat.

14. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de temperatuur van het te behandelen substraat in te stellen is van 70-1500 Kelvin, bij voorkeur van 273-1000 Kelvin.

15. Reactor voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, bestaande uit tenminste één plasmaopwekker die in 15 verbinding staat via tenminste één plasmainlaat met een plasma-behandel-ruimte, waarbij genoemde plasmaopwekker in verbinding staat met tenminste één inlaat voor een reactant en waarbij het substraat onderdeel kan zijn van tenminste één extra onlading met het kenmerk dat genoemde plasmaopwekker voorzien is van een inlaatopening voor het schutgas.

16. Reactor volgens conclusie 15 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 2 met het kenmerk dat de plasmaopwekker(s) tenminste één inlaatopening voor het toevoegen van reactant bevat (bevatten), S v SM 530 5 - 17 - welke inlaatopening zich na (i.e. stroomafwaarts ten opzichte van) de cathode(s) bevindt.

17. Reactor volgens conclusie 15 of 16 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 5 met het kenmerk dat de cathode(s) is (zijn) 5 vervaardigd van een materiaal met een hoge electronen-emissie, bij voorkeur een legering van 0.1-10 % thorium in wolfram.

18. Reactor volgens conclusie 15,16 of 17 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 6 of 7 met het kenmerk dat de plasmaopwek-ker(s) voorzien is (zijn) van tenminste één gat in de wand met een 10 diameter van 0.001-0.5 mm, bij voorkeur 0.005-0.1 mm, waardoor een vloeibaar reactant kan worden geïnjecteerd.

19. Reactor volgens één der conclusies 15-18 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 8 met het kenmerk dat de plasma-behandel-ruimte en/of de plasmaopwekker voorzien is (zijn) van middelen om ten- 15 minste één extra ontlading op te wekken, welke ontlading reactanten in de vorm van een vaste stof in de gasvormige fase doet overgaan.

20. Reactor volgens één der conclusies 15-19 met het kenmerk dat de plasmaopwekker(s) en de plasmainlaat (-inlaten) een zodanige geometrie hebben dat er, langs de richting van de stroming gezien, geen plotselin- 20 ge vernauwing van het (de) gevormde kanaal (kanalen) optreedt.

21. Reactor volgens conclusie 20 met het kenmerk dat de diameter van het door de plasmaopwekker(s) en de plasmainlaat (-inlaten) gevormde kanaal langs de richting van de stroming gezien geleidelijk verloopt, f701530 P - 18 -

22. Reactor volgens één der conclusies 15—21 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 9 met het kenmerk dat het vacuümsysteem van de plasma-behandelruimte is voorzien van middelen om de snelheid waarmee genoemde plasma-behandelkamer wordt afgepompt in te kunnen stellen op 5 een waarde van 0-100000 1/s, bij voorkeur 50-1000 1/s.

23. Reactor volgens één der conclusies 15-22 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 11 met het kenmerk dat de plasma-behandelruimte is voorzien van een skimmer.

24. Reactor volgens één der conclusies 15-23 voor het uitvoeren van de 10 werkwijze volgens conclusie 12 met het kenmerk dat de plasma-behandelruimte is voorzien van middelen om een magnetisch veld op te wekken.

25. Reactor volgens één der conclusies 15-24 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 14 met het kenmerk dat de plasma-behandelruimte middelen bevat waarmee de temperatuur van het substraat ingesteld 15 kan worden van 70-1500 Kelvin, bij voorkeur van 273-1000 Kelvin. 0701530