DE102004030344B4

DE102004030344B4 - Vorrichtung zum Beschichten optischer Gläser mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (CVD)

Info

Publication number: DE102004030344B4
Application number: DE200410030344
Authority: DE
Inventors: Dr. Neuffer Andreas; Lothar Holz
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2024-06-19
Also published as: DE102004030344A1; EP1761942A1; WO2005124820A1

Abstract

Vorrichtung zum Beschichten optischer Gläser mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (CVD), mit einem zylindrischen Reaktor (12) zur Aufnahme der zu beschichtenden Gläser, und mit mindestens einem Mikrowellengenerator (24a, 24b) zum Einkoppeln eines Mikrowellensignals vorbestimmter Mikrowellenfrequenz in den Reaktor (12), wobei der mindestens eine Mikrowellengenerator (24a, 24b) eine Mikrowellenquelle (26a, 26b) aufweist und die Mikrowellenquelle (26a, 26b) über ein Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) an den Reaktor (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor (12) ein Druck erzeugbar ist, der oberhalb eines für die Anregung einer Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) erforderlichen Drucks liegt, dass das Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) ein Hohlleiter-Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) ist, und dass das Hohlleiter-Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) nur einen ersten Schwingungsmodus in den Reaktor (12) einkoppelt, der in dem Reaktor (12) symmetrisch ausbreitungsfähig ist, während es einen zweiten Schwingungsmodus unterdrückt, der im Reaktor (12) unsymmetrisch ausbreitungsfähig wäre.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten optischer Gläser mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (CVD), mit einem zylindrischen Reaktor zur Aufnahme der zu beschichtenden Gläser, und mit mindestens einem Mikrowellengenerator zum Einkoppeln eines Mikrowellensignals vorbestimmter Mikrowellenfrequenz in den Reaktor, wobei der mindestens eine Mikrowellengenerator eine Mikrowellenquelle aufweist und die Mikrowellenquelle über ein Moden-Interferenzfilter an den Reaktor gekoppelt ist.
Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der US 5 611 864 A bekannt.
Aus der EP 0 718 418 A1 ist bekannt, Brillengläser aus Kunststoff im Plasma-CVD-Verfahren mit einer transparenten Beschichtung zu versehen, beispielsweise einer Kratzschutzschicht aus TiO₂. Zu diesem Zweck werden die zu beschichtenden Brillengläser in einem Reaktor bei einer Substrattemperatur von 50°C einem Beschichtungs-Gasgemisch mit einem Druck von 0,1 bis 2 mbar ausgesetzt. Zum Erzeugen des Plasmas wird dem Reaktor Mikrowellenenergie zugeführt, beispielsweise bei einer Frequenz von 2,45 GHz. Die Mikrowellenenergie wird dabei getastet, und zwar mit Impulslängen von 0,01 bis 10 ms und Impulspausen von 1 bis 1.000 ms bei einer Impulsleistung von 10 bis 100.000 W.
In diesem Zusammenhang sind ferner zylindrische Reaktoren verwendet worden. In diesen zylindrischen Reaktoren ist eine möglichst homogene Verteilung des Mikrowellenfeldes vorteilhaft, um eine möglichst gleichförmige Beschichtung zu erzielen. Dies gilt in dem hier interessierenden Anwendungsfall besonders, weil Brillengläser konvex oder konkav gekrümmte Oberflächen haben. Aus diesem Grunde werden für diese Anwendung Konfigurationen bevorzugt, bei denen sich in dem Reaktor ein zur Zylinderachse symmetrischer Schwingungsmodus der Mikrowelle ausbreitet.
Die Reaktoren werden von gepulsten Mikrowellenquellen, beispielsweise Magnetrons, gespeist. Magnetrons haben üblicherweise einen Ausgang, der als Standard-Rechteckhohlleiter ausgebildet ist. Die Mikrowellenenergie muss daher aus dem Rechteckhohlleiter in den zylindrischen Reaktor eingekoppelt werden. Dabei ist jedoch unvermeidlich, dass neben den erwünschten auch unerwünschte Schwingungsmoden entstehen. Diese breiten sich asymmetrisch im Reaktor aus und führen zu einer ungleichmäßigen Dicke der Beschichtung.
Ein weiteres Problem, das sich beim Plasma-CVD-Verfahren stellt, besteht darin, dass das unter vergleichsweise hohem Druck stehende Plasma selbst eine Reflexion der eingekoppelten Mikrowellenenergie zurück in den Mikrowellengenerator bewirkt. Es muss daher zusätzlich Sorge dafür getragen werden, dass durch diese Reflexion nicht wieder asymmetrische Anteile in den Reaktor zurück gelangen.
Aus der eingangs genannten US 5 611 864 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln von Substraten, nämlich von Halbleiterbauelementen, LCD-Displays und Solarzellen, mit Plasma bekannt.
Bei dieser bekannten Vorrichtung wird eine Vakuumkammer verwendet, in der ein Unterdruck erzeugt und ein Plasma durch Einkopplung eines Mikrowellenfeldes angeregt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel (EXAMPLE 4) wird das Mikrowellenfeld in einer Mikrowellenquelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz erzeugt und im TE₁₀-Mode über einen ersten Rechteckhohlleiter abgegeben. Der erste Rechteckhohlleiter verzweigt sich dann in zwei symmetrische Zweige, die sich in einem zweiten Rechteck-Hohlleiter an einem Rechteck-Koaxial-Übergang treffen. Vor dort führt ein Koaxial-Wellenleiter, in dem das Mikrowellensignal in einem TEM-Modus ausbreitungsfähig ist, zu der Vakuumkammer. Um die unterschiedlichen Impedanzen von Rechteckhohlleiter und Koaxial-Wellenleiter aneinander anzupassen und damit Reflektionen des Mikrowellensignals durch den Rechteck-Koaxial-Übergang zu minimieren, sind sowohl im ersten Rechteckhohlleiter als auch in den beiden Zweigen Phasenschieber vorgesehen, die derart einstellbar sind, dass die Mikrowellensignale aus den beiden Zweigen mit gleicher Phase an dem Rechteck-Koaxial-Übergang ankommen. Auf diese Weise soll auch in dem Koaxial-Wellenleiter ein höherer TE₁₀-Modus, der die Gleichförmigkeit des übertragenen Mikrowellensignals verschlechtern würde, durch gegenseitige Interferenz ausgelöscht werden.
In der Vakuumkammer wird zunächst in einer reaktiven Gasatmosphäre von z. B. Argon ein Unterdruck von 2,66 × 10^–2 mbar erzeugt, der dann weiter auf 1,07 × 10^–3 mbar abgesenkt wird. Mittels Permanentmagneten wird am Ort des Substrathalters ferner ein statisches Magnetfeld von 0,1–0,2 T erzeugt, das notwendig ist, um bei dem sehr niedrigen Druck das Plasma einzufangen. Schließlich wird der Substrathalter einer Hochfrequenz-Wechselspannung mit einer Frequenz von 13,56 MHz ausgesetzt.
Die bekannte Vorrichtung hat damit den Nachteil, dass sie nur bei sehr niedrigen Drücken betrieben werden kann. Außerdem wird keine ausreichende Unterdrückung des an sich in dem Reaktor ausbreitungsfähigen, unsymmetrischen Schwingungsmodus erreicht.
Auf einem anderen Gebiet der Beschichtungstechnik, nämlich der Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR), die ebenfalls bei wesentlich niedrigeren Drücken und unter gleichzeitiger Einwirkung eines statischen magnetischen Feldes arbeitet, wird auch mit Mikrowellenquellen (Magnetrons) mit Rechteckhohlleiter-Ausgang gearbeitet, die mit einem zylindrischen Reaktor gekoppelt sind und dort die Resonanzvorgänge auslösen.
In der US 5 172 083 A wird für eine ECR-Beschichtungsanlage vorgeschlagen, zwischen der Mikrowellenquelle und dem Reaktor einen Modenkonverter anzuordnen, um das aus dem Rechteckhohlleiter kommende Mikrowellensignal in den zylindrischen Reaktor einzukoppeln. Dies soll das Auftreten unerwünschter Schwingungsmoden verhindern. Hierzu werden mechanisch sehr aufwendige und große Rechteck/Zylinder-Hohlleiterübergänge vorgeschlagen. Das Auftreten unerwünschter Schwingungsmoden soll dabei also von vornherein verhindert werden, unter Inkaufnahme des vorgenannten Aufwandes.
In der US 5 433 789 A und in der US 5 646 489 A ist, ebenfalls für ECR-Anwendungen, angegeben, dass im Übergang zwischen der Mikrowellenquelle und dem Reaktor leitfähige Bleche in bestimmter räumlicher Anordnung vorgesehen werden sollen, um das Auftreten unerwünschter Schwingungsmoden durch elektrische Kurzschlüsse im Bereich von deren elektrischen Feldlinien zu verhindern. Auch diese Maßnahme ist äußerst aufwendig und störanfällig, weil die Bleche extrem präzise positioniert werden und auch im Langzeitbetrieb in dieser Position verbleiben müssen, da sie andernfalls die Symmetrie des gewünschten Schwingungsmodus beeinträchtigen würden. Der Ansatz ist daher der selbe, wie vorstehend geschildert, nämlich das Auftreten der unerwünschten Schwingungsmoden gar nicht erst zuzulassen. Erkauft wird das auch in diesem Falle durch einen erheblichen apparativen Aufwand.
In der EP 1 276 356 A1 ist eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung beschrieben. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung (11–14) wird ein Mikrowellensignal von einer Mikrowellenquelle über einen Rechteckhohlleiter, ein Übergangsstück und einen Rundhohlleiter über eine scheibenförmige Schlitzantenne zu einer Behandlungskammer übertragen. In dem Rundhohlleiter befindet sich ein zirkular polarisierender Wellenwandler. Das Mikrowellensignal wird zwischen der Schlitzantenne und dem Übergangsstück mehrfach reflektiert und durchläuft dabei jedes Mal den Wellenwandler. Dadurch werden in dem Rundhohlleiter zwei zirkular polarisierte Teilsignale erzeugt, die einen entgegengesetzten Drehsinn aufweisen. Dies würde zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Mikrowellensignals führen. Aus diesem Grunde ist im Bereich des Übergangsstücks ein Reflektor angeordnet, der das von der Schlitzantenne reflektierte Signal derart reflektiert, dass eine stehende Welle entsteht. Der Rundhohlleiter ist im Bereich des Schwingungsbauchs der stehenden Welle mit einem Koppelschlitz versehen, der zu einem Mikrowellenabsorber führt. Auf diese Weise wird die stehende Welle absorbiert.
Aus der EP 1 189 493 A2 ist eine Plasma-Behandlungsvorrichtung bekannt, bei der das Mikrowellensignal in zwei Teilsignale aufgeteilt wird, die gegenläufig in einen ringförmigen Hohlleiter eingekoppelt werden. Dadurch wird in dem Hohlleiter durch Interferenz eine stehende Welle erzeugt, die durch radiale Koppelschlitze in eine Behandlungskammer eingekoppelt wird.
Aus der EP 0 791 949 A2 ist eine Plasma-Behandlungsvorrichtung bekannt, bei der ebenfalls eine Einkopplung des Mikrowellensignals über Koppelschlitze bzw. Schlitzantennen erfolgt, die an einen Resonator angrenzen.
Die „ELECTRONICS LETTERS” Vol. 24, S. 1525–1526 (1988) beschreibt ein optisches Moden-Interferenzfilter.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Plasma-CVD-Beschichtungsvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine Beschichtung auch bei höheren Drücken ermöglicht werden, bei denen eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz nicht mehr möglich ist, und das im Reaktor wirksame Mikrowellenfeld soll frei von asymmetrischen Komponenten sein.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Reaktor ein Druck erzeugbar ist, der oberhalb eines für die Anregung einer Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) erforderlichen Drucks liegt, dass das Moden-Interferenzfilter ein Hohlleiter-Moden-Interferenzfilter ist, und dass das Hohlleiter-Moden-Interferenzfilter nur einen ersten Schwingungsmodus in den Reaktor einkoppelt, der in dem Reaktor symmetrisch ausbreitungsfähig ist, während es einen zweiten Schwingungsmodus unterdrückt, der im Reaktor unsymmetrisch ausbreitungsfähig wäre.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Dadurch, dass das vorstehend näher bezeichnete Interferenzfilter verwendet wird, ist der Ansatz bei der Erfindung ein anderer als bei den aus dem Gebiet der ECR bekannten Anordnungen. Während nämlich bei jenen die unerwünschten Moden gar nicht erst auftreten können, wird dies bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewusst zugelassen, und die Unterdrückung des unerwünschten Schwingungsmodus findet dadurch statt, dass dieser mit sich selbst zur Interferenz gebracht und damit ausgelöscht wird. Das ermöglicht in der Praxis wesentlich einfachere Konstruktionen mit erheblich kleinerem Platzbedarf.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen haben sich in Versuchen auch als besonders geeignet für die spezielle Anwendung beim Plasma-CVD-Verfahren erwiesen, bei dem – insoweit anders als beim ECR-Verfahren – das unter einem höheren Druck stehende Plasma die eingekoppelte Mikrowellenenergie zu einem beträchtlichen Anteil reflektiert.
Entsprechendes gilt in noch weit höherem Maße, wenn zur weiteren Verbesserung der Homogenität der Beschichtung an einem Reaktor mit zwei einander gegenüberstehenden Mikrowellengeneratoren gearbeitet wird, die gegeneinander gerichtet sind, so dass unvermeidbar wechselseitig bestimmte Mikrowellenenergieanteile in den jeweils anderen Mikrowellengenerator eingestrahlt werden.
Bei aus dem Bereich der ECR bekannten Anordnungen würde dies dazu führen, dass diese reflektierten bzw. eingestrahlten Anteile in degenerierter Form doch wieder zurück in den Reaktor gelangen, weil diese Anordnungen auf das tatsächliche Vorhandensein dieser unerwünschten Schwingungsmoden nicht eingerichtet sind. Diese Anordnungen mögen daher den Anforderungen beim ECR-Verfahren genügen, für Anwendungen beim Plasma-CVD-Verfahren sind sie ungeeignet.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist demgemäß vorgesehen, dass zwei Mikrowellengeneratoren an einander gegenüberliegenden Stirnwänden klappsymmetrisch zu einer radialen Mittelebene des Reaktors angeordnet sind.
Diese Maßnahme hat den bereits erwähnten Vorteil, dass die Homogenität der Beschichtung weiter verbessert werden kann, ohne dass eine Verschlechterung der Symmetrie des eingekoppelten gewünschten Schwingungsmodus befürchtet werden muss.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Mikrowellenquelle ein Magnetron, wobei die Mikrowellenfrequenz im S-Band liegt und vorzugsweise etwa 2,45 GHz beträgt.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mikrowellenquelle über einen Rechteckhohlleiter mit dem Moden-Interferenzfilter verbunden ist. Dabei ist bevorzugt der erste Schwingungsmodus vom Typ TM₀₁ und der zweite Schwingungsmodus vom Typ TE₁₁.
Erfindungsgemäß ist bei einer praktischen Ausführungsform vorgesehen, dass das Moden-Interferenzfilter mindestens zwei koaxiale und in einer Radialebene aneinander angrenzende Rundhohlleiterabschnitte aufweist, von denen ein erster an den Reaktor gekoppelt ist, und dass die Rundhohlleiterabschnitte derart dimensioniert sind, dass der erste Schwingungsmodus nur in dem ersten Rundhohlleiterabschnitt und der zweite Schwingungsmodus in dem ersten und in dem zweiten Rundhohlleiterabschnitt ausbreitungsfähig ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein besonders einfacher und platzsparender Aufbau entsteht, der auch im Langzeitgebrauch die gewünschten Eigenschaften beibehält. Auf diese Weise wird die Trennung der Schwingungsmoden bzw. die Auslöschung des zweiten Schwingungsmodus in einfacher Weise erreicht.
Bei einer praktischen Ausführung des vorgenannten Ausführungsbeispiels weist der zweite Rundhohlleiterabschnitt einen zweiten Durchmesser auf, der derart bemessen ist, dass die kritische Wellenlänge für den zweiten Schwingungsmodus bei diesem Durchmesser kleiner ist als die Wellenlänge des Mikrowellensignals.
Auch diese Maßnahme trägt zu einem einfachen Aufbau bei.
Bevorzugt ist dabei die Länge des zweiten Rundhohlleiterabschnitts gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Hohlleiterwellenlänge des zweiten Schwingungsmodus in dem zweiten Rundhohlleiterabschnitt.
Ferner ist bevorzugt, wenn die Länge des ersten Rundhohlleiterabschnitts ungleich einem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des ersten Schwingungsmodus in dem ersten Rundhohlleiterabschnitt ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der erste Rundhohlleiterabschnitt weder ein Resonator noch ein Antiresonator für den gewünschten ersten Schwingungsmodus ist. Es kann daher zu keinen Intensitätsschwankungen der in den Reaktor eingekoppelten Mikrowellenenergie kommen, wenn sich in einem Resonator hoher Güte Schwankungen der baulichen Beschaffenheit stark auswirken würden, beispielsweise ein Belag auf einer Oberfläche. Andererseits führt die Vermeidung einer Antiresonanz dazu, dass keine Reflexionen entstehen.
Darüber hinaus ist noch bevorzugt, wenn die Länge des ersten Rundhohlleiterabschnitts gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des zweiten Schwingungsmodus in dem ersten Rundhohlleiterabschnitt ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass restliche Anteile des unerwünschten, zweiten Schwingungsmodus im ersten Hohlleiterabschnitt ausgelöscht werden.
Eine besonders gute Wirkung wird dann erzielt, wenn ein Abschnitt des Rechteckhohlleiters an den ersten Rundhohlleiterabschnitt angekoppelt ist, wobei eine Schmalseite des Abschnitts in der Radialebene liegt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass definierte Verhältnisse am Übergang vom Rechteck- zum Rundhohlleiter bestehen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Rechteckhohlleiter über eine Drosselverbindung an das Moden-Interferenzfilter angeschlossen, der vorzugsweise als aufgeschraubter Ring ausgebildet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass mit sehr hohen Mikrowellenleistungen im kW-Bereich gearbeitet werden kann, ohne dass das Auftreten von Lichtbögen befürchtet werden muss, und dass die Einkopplung leicht gewechselt werden kann. Ferner ist bevorzugt, wenn der erste Rundhohlleiterabschnitt im Übergang zum Reaktor mit einem vakuumdichten Fenster versehen ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Innere des Moden-Interferenzfilters von der Unterdruckseite entkoppelt und daher dem Beschichtungs-Gasgemisch nicht ausgesetzt ist.
Weiterhin ist bei Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, dass der erste Rundhohlleiterabschnitt im Übergang zum Reaktor mit einer metallischen Blende versehen ist, wobei insbesondere die Blende auf der dem ersten Rundhohlleiterabschnitt abgewandten Seite des Fensters, d. h. im Unterdruckbereich des Reaktors angeordnet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass konkave Oberflächen der Gläser durch die von der Blende verursachte Beschränkung der Plasmaausdehnung besonders gut beschichtet werden können.
Schließlich ist noch eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der das Moden-Interferenzfilter einen mit dem Reaktor verbundenen Außenkörper sowie einen axial in den Außenkörper einschiebbaren Innenkörper aufweist, wobei die Rundhohlleiterabschnitte in dem Innenkörper und der Rechteckhohlleiterabschnitt in dem Außenkörper ausgebildet sind und ferner der Innenkörper am Außenkörper lösbar befestigt ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Innenkörper mit den Rundhohlleiterabschnitten sowie dem ggf. vorgesehenen Quarzfenster und der Blende in einfacher Weise ausgebaut werden können, insbesondere zu Reinigungszwecken.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine äußerst schematisierte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 in vergrößertem Maßstab eine Schnittdarstellung eines Mikrowellengenerators, wie er bei der Vorrichtung gemäß 1 verwendet wird.
In 1 bezeichnet 10 als ganzes ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich eine Plasma-CVD-Beschichtungsanlage. Die Anlage 10 enthält einen zylindrischen Reaktor 12, dessen Längsachse mit 14 bezeichnet ist. Der Reaktor ist zu einer radialen Mittelebene 15 klappsymmetrisch ausgebildet. Im Innenraum 16 des Reaktors 12 wird, wie bereitseingangs zum Stand der Technik gemäß der EP 0 718 418 A1 ausgeführt, eine Atmosphäre eingestellt, die aus einem Beschichtungs-Gasgemisch besteht, wobei ein vorbestimmter Unterdruck herrscht. Zu diesem Zweck sind Zuleitungen 18 für das Beschichtungs-Gasgemisch sowie ein Vakuumanschluss 20 vorgesehen. Im Innenraum 16 sind Träger für die zu beschichtenden Gläser, insbesondere Brillengläser aus Kunststoff oder Glas, vorgesehen. Diese sind dem Fachmann bekannt und daher der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
An den einander gegenüberliegenden Stirnwänden 22a und 22b sind Mikrowellengeneratoren 24a, 24b einander zu weisend angeordnet, um Mikrowellenenergie symmetrisch von beiden Seiten in den Innenraum 16 einzukoppeln, und zwar in der Längsachse 14. Die Mikrowellengeneratoren 24a, 24b enthalten jeweils eine Mikrowellenquelle 26a, 26b, beispielsweise ein Magnetron, das vorzugsweise im S-Band, insbesondere bei etwa 2,45 GHz arbeitet und Impulsleistungen im kW-Bereich liefert. Die Mikrowellenquellen 26a, 26b sind über Rechteckhohlleiter 28a, 28b mit jeweils einem Moden-Interferenzfilter 30a, 30b verbunden, von denen aus die Mikrowellenenergie in den Innenraum 16 eingekoppelt wird.
Einzelheiten der Moden-Interferenzfilter sind in 2 dargestellt, und zwar in der Position des Moden-Interferenzfilters 30b von 1, nachstehend der Einfachheit halber als „30” bezeichnet.
Jedes Moden-Interferenzfilter 30 weist einen Innenkörper 32 sowie einen Außenkörper 33 auf, die selbstverständlich in praktischen Ausführungsformen jeweils auch mehrteilig sein können. Die Körper 32, 33 sind vorzugsweise metallisch. Der Innenkörper 32 enthält einen vorderen Teil 34 sowie einen hinteren Teil 35. Der Innenkörper 32 und der Außenkörper 33 sind koaxial zur Längsachse 14 angeordnet, wobei der Innenkörper 32 in 2 von rechts in den Außenkörper 33 einschiebbar und im eingeschobenen Zustand an diesem befestigbar ist. Der Innenkörper 32 ist zu diesem Zweck mit einem Flansch 36 versehen, der mit Schrauben 37 an einer radialen Stirnfläche des Außenkörpers 33 festgelegt werden kann.
Der vordere Teil 34 umschließt einen ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 und der hintere Teil 35 einen zweiten Rundhohlleiterabschnitt 40. Die Rundhohlleiterabschnitte 38, 40 sind zueinander und zur Achse 14 koaxial angeordnet. Sie haben jedoch unterschiedliche Abmessungen, nämlich einen Durchmesser d₁ und eine Länge l₁ beim ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 bzw. einen Durchmesser d₂ und eine Länge l₂ beim zweiten Rundhohlleiterabschnitt 40. Auf die Dimensionierung der Längen l₁ und l₂ sowie der Durchmesser d₁ und d₂ wird weiter unten noch eingegangen.
Die Rundhohlleiterabschnitte 38, 40 sind in dem Innenkörper 32 mit einer elektrisch hoch leitfähigen Oberfläche versehen, beispielsweise einer Beschichtung aus Gold. Der erste Rundhohlleiterabschnitt 38 ist an seinem in 2 linken Ende elektrisch offen. Der zweite Rundhohlleiterabschnitt 40 ist an seinem in 2 rechten Ende mit einem elektrisch leitfähigen Boden 41 abgeschlossen. Der Boden 41 kann zu Justierzwecken als axial beweglicher Kolben ausgebildet sein.
Die Rundhohlleiterabschnitte 38, 40 gehen in einer Radialeben 42 ineinander über. Dort ist auch ein Rechteckhohlleiterabschnitt 44 im Innenkörper 32 vorgesehen, dessen Schmalseite 45 in der Radialebene 42 liegt und der zum ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 offen ist. An den Rechteckhohlleiterabschnitt 44 ist in 2 oben ein Flansch 46 des Rechteckhohlleiterabschnitts 28 angeschraubt.
Dabei ist im Übergang vom Rechteckhohlleiterabschnitt 44 zum ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 ein sog. „Choke Joint” 48 vorgesehen oder eine Drosselverbindung bzw. -kopplung. Bei der Drosselverbindung 48 befindet sich auf der Breitseite des Rechteckhohlleiterabschnitts 28 ein Sackschlitz definierter Tiefe, der wie ein Interferenzfilter wirkt. Die Mikrowelle dringt nämlich dort in den Sackschlitz ein, wird an dessen Ende reflektiert und interferiert auf der Hälfte des Sackschlitzes, derart, dass die Mikrowellenintensität dort gleich Null wird. Damit wird am Ort des Überganges ein Bereich kleinsten Wandstromes erzeugt. Wäre die Drosselverbindung 48 nicht vorhanden, würde in der Mitte der Breitseite des Rechteckhohlleiterabschnitts 44 bei dem erlaubten Grundmodus der maximale Strom fließen. Bei einem Übergang mit schlechter Leitung würde das zu Überschlägen (Lichtbögen) führen.
Die Drosselverbindung 48 kann in einem praktischen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) als aufgeschraubter Ring realisiert werden.
Der Außenkörper 33 weist an seinem in 2 linken Ende einen Generatorflansch 50 zum Befestigen des Mikrowellengenerators 24 am Reaktor 12 auf. Der Generatorflansch 50 wird zu diesem Zweck mit einem Reaktorflansch 52 des Reaktors 12 verschraubt. Der Reaktorflansch 52 sitzt dicht in der Stirnwand 22 des Reaktors 12. Um den Innenkörper 32 druckdicht mit dem Innenraum 16 des Reaktors 12 zu verbinden, ist eine konische Passung 54 zwischen dem Innenkörper 32 und dem Reaktorflansch 52 vorgesehen, die mit einer Vakuumdichtung 56 versehen ist.
Wie man aus 2 erkennen kann, ist es damit möglich, den Innenkörper 32, beispielsweise zu Reinigungszwecken, in der bereits erwähnten Weise nach Lösen der Schrauben 37 aus dem Außenkörper 33 nach rechts herauszuziehen, wobei die konische Passung 54 mit der Vakuumdichtung 56 dann frei liegt.
In das dem Innenraum 16 des Reaktors 12 zu weisenden Ende des Innenkörpers 32 bzw. des ersten Rundhohlleiterabschnitts 38 ist ein Fenster 58 eingesetzt. Das Fenster 58 ist vorzugsweise als für Mikrowellen transparentes Quarzfenster ausgebildet und mittels eines Silikonklebers in eine konische Passung 60 eingeklebt.
Vor dem Fenster 58 ist vorzugsweise eine metallische Blende 62 angeordnet, die mit einer definierten Öffnung 64 versehen ist. Die Blende 62 bewirkt eine Beschränkung der Plasmaausdehnung im Innenraum 16, was für die Beschichtung von konkav gekrümmten Oberflächen nützlich ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Von den Mikrowellenquellen 26a, 26b wird das Mikrowellensignal über die Rechteckhohlleiter 28a, 28b abgegeben. Von diesen wird das Signal über den Rechteckhohlleiterabschnitt 44 (2) in den ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 eingekoppelt. Im Innenraum 16 des Reaktors 12 soll nur der sich symmetrisch ausbreitende Schwingungsmodus TM₀₁ angeregt werden, der sich asymmetrisch ausbreitende Schwingungsmodus TE₁₁ hingegen nicht.
Zu diesem Zweck ist zunächst der Durchmesser d₁ des ersten Rundhohlleiterabschnitts 38 so dimensioniert, dass in ihm beide Schwingungsmoden TM₀₁ und TE₁₁ ausbreitungsfähig sind. Der Durchmesser d₂ des zweiten Rundhohlleiterabschnitts 40 hingegen ist so dimensioniert, dass sich in ihm nur der unerwünschte Schwingungsmodus TE₁₁, nicht jedoch der erwünschte Schwingungsmodus TM₀₁ ausbreiten kann.
Für den TE₁₁-Modus gilt, dass die kritische Wellenlänge λ_c der Bedingung: λ_c(TE11) = 3,412 × d/2 genügt. Für den Schwingungsmodus TM₀₁ gilt entsprechend: λ_c(TM01) = 2,613 × d/2
Wenn man z. B. d₁ = 100 mm dimensioniert und d₂ = 80 mm, dann ergeben sich die kritischen Wellenlängen λ_c(TE11) und λ_c(TM01) für den ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 zu: λ_c(TE11)38 = 170,6 mm λ_c(TM01)38 = 130,7 mm und für den zweiten Rundholleiterabschnitt 40 zu: λ_c(TE11)40 = 136,5 mm λ_c(TM01)40 = 104,5 mm
Bei dem für das Ausführungsbeispiel der 2 betrachteten Mikrowellensignal mit einer Frequenz von 2,45 GHz beträgt die Wellenlänge im Vakuum λ_v = 122,4 mm. Diese liegt unterhalb der vorstehend genannten Werte für die kritischen Wellenlängen, außer λ_c(TM01)40. Folglich ist nur der Schwingungsmodus TE₁₁ im zweiten Rundhohlleiterabschnitt 40 ausbreitungsfähig.
Im ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 sind beide Schwingungsmoden, also TM₀₁ und TE₁₁, ausbreitungsfähig. Der erwünschte Schwingungsmodus TM₀₁ breitet sich also nur im linken, ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 aus und wird von dort durch das Fenster 58 in den Innenraum 16 des Reaktors eingekoppelt. Der unerwünschte asymmetrische Schwingungsmodus TE₁₁ breitet sich hingegen in beiden Rundhohlleiterabschnitten aus.
Die Länge des rechten, zweiten Hohlleiterabschnitts 40 ist so bemessen, das dieser für den asymmetrischen Schwingungsmodus TE₁₁ eine λ/2-Leitung bildet, so dass der Kurzschluss des vorzugsweise axial verschiebbaren Bodens 41 in die Radialebene 42 transformiert wird. Dabei muß auf die Hohlleiterwellenlänge λ_H des Schwingungsmodus abgestimmt werden, die stets größer als die Wellenlänge λ_V im Vakuum ist. Für die Hohlleiterwellenlänge λ_H gilt:
Für den asymmetrischen Schwingungsmodus TE₁₁ im rechten, zweiten Rundhohlleiterabschnitt 40 errechnet sich daraus λ_H(TE11)40 = 277 mm. Daraus folgt für l₂ = λ_H(TE11)40/2 = 139 mm.
Infolge der Bedingung l₂ = λ_H(TE11)40/2 löscht sich der unerwünschte asymmetrische Schwingungsmodus TE₁₁ durch Interferenz an der Übergangsstelle zwischen den Rundhohlleiterabschnitten 38 und 40, also am Ort der Rechteckhohlleiterankopplung, von selbst aus.
Für den linken, ersten Hohlleiterabschnitt 38 gilt zunächst, dass er keinen Resonator für den symmetrischen Schwingungsmodus TM₀₁ darstellen darf. Wäre dies nämlich der Fall, dann würden wegen der hohen Güte des so gebildeten Resonators bereits kleinste Schwankungen im Aufbau, z. B. ein Belag auf dem Quarzfenster 58 starke Intensitätsänderungen des in den Reaktor 12 eingekoppelten Mikrowellensignals zur Folge haben. Die Länge l₁ des linken, ersten Hohlleiterabschnitts 38 darf daher nicht gleich n × λ_H(TM01)38/2 sein.
Ferner sollte auch keine Antiresonanz n × λ_H(TH01)38/4 (für ungeradzahlige n) vorliegen. Dies würde nämlich zu deutlichen Reflexionen der Gesamtleistung führen. Daher wählt man als Faktor einen Wert zwischen 1/2 und 3/4, beispielsweise 0,67. Dann wird l₁ = 0,67 × λ_H(TM01)38 bzw. mit λ_H(TM01)38 = 350 mm ergibt sich l₁ = 235 mm. Durch geeignete Wahl des Faktors und unter Berücksichtigung der unvermeidbaren baulichen Toleranzen kann man dabei auch für den asymmetrischen Schwingungsmodus TE11 im ersten, linken Rundhohlleiterabschnitt 38 eine Antiresonanz einstellen, in diesem Fall l₁ = 5/4 × λ_H(TE11)38. Dann werden auch ggf. noch im ersten Rundhohlleiterabschnitt 38 vorhandene restliche TE₁₁-Anteile ausgelöscht.
Durch diese Dimensionierung von d₁, d₂, l₁ und l₂ wird insgesamt bei gegebener Frequenz für die genannten Schwingungsmoden TE₁₁ und TM₀₁ einerseits eine Interferenz und damit eine Auslöschung des unerwünschten asymmetrischen Schwingungsmodus TE₁₁ bewirkt. Andererseits wird eine Minimierung der Reflexion von Mikrowellensignalen bewirkt, und zwar innerhalb des Moden-Interferenzfilters 30 sowie aus dem Innenraum 16 des Reaktors 12 wieder durch das Fenster 58 in das Moden-Interferenzfilter 30 zurück. Letzteres gilt unabhängig davon, ob diese reflektierten Anteile von dem eigenen Mikrowellengenerator 24b selber ausgingen und an dem unter relativ hohem Druck stehenden Plasma reflektiert wurden oder von dem anderen, gegenüberliegenden Mikrowellengenerator 24a eingestreut werden.

Claims

Vorrichtung zum Beschichten optischer Gläser mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (CVD), mit einem zylindrischen Reaktor (12) zur Aufnahme der zu beschichtenden Gläser, und mit mindestens einem Mikrowellengenerator (24a, 24b) zum Einkoppeln eines Mikrowellensignals vorbestimmter Mikrowellenfrequenz in den Reaktor (12), wobei der mindestens eine Mikrowellengenerator (24a, 24b) eine Mikrowellenquelle (26a, 26b) aufweist und die Mikrowellenquelle (26a, 26b) über ein Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) an den Reaktor (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor (12) ein Druck erzeugbar ist, der oberhalb eines für die Anregung einer Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) erforderlichen Drucks liegt, dass das Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) ein Hohlleiter-Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) ist, und dass das Hohlleiter-Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) nur einen ersten Schwingungsmodus in den Reaktor (12) einkoppelt, der in dem Reaktor (12) symmetrisch ausbreitungsfähig ist, während es einen zweiten Schwingungsmodus unterdrückt, der im Reaktor (12) unsymmetrisch ausbreitungsfähig wäre.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Mikrowellengeneratoren (24a, 24b) an einander gegenüberliegenden Stirnwänden (22a, 22b) klappsymmetrisch zu einer radialen Mittelebene (15) des Reaktors angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle (26a, 26b) ein Magnetron ist und dass die Mikrowellenfrequenz im S-Band liegt und vorzugsweise etwa 2,45 GHz beträgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle (26a, 26b) über einen Rechteckhohlleiter (28a, 28b, 44) mit dem Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwingungsmodus vom Typ TM₀₁ und der zweite Schwingungsmodus vom Typ TE₁₁ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) mindestens zwei koaxiale und in einer Radialebene (42) aneinander angrenzende Rundhohlleiterabschnitte (38, 40) aufweist, von denen ein erster (38) an den Reaktor (12) gekoppelt ist, und dass die Rundhohlleiterabschnitte (38, 40) derart dimensioniert sind, dass der erste Schwingungsmodus nur in dem ersten Rundhohlleiterabschnitt (38) und der zweite Schwingungsmodus in dem ersten (38) und in dem zweiten (40) Rundhohlleiterabschnitt ausbreitungsfähig ist.
Vorrichtung Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (44) des Rechteckhohlleiters an den ersten Rundhohlleiterabschnitt (38) angekoppelt ist, wobei eine Schmalseite (45) des Abschnitts (44) in der Radialebene (42) liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechteckhohlleiter (28a, 28b) über eine Drosselverbindung (48) an das Moden-Interferenzfilter (30a, 30b) angeschlossen ist, die vorzugsweise als aufgeschraubter Ring ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rundhohlleiterabschnitt (38) im Übergang zum Reaktor (12) mit einem vakuumdichten Fenster (58) versehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rundhohlleiterabschnitt (38) im Übergang zum Reaktor (12) mit einer metallischen Blende (62) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (62) auf der dem ersten Rundhohlleiterabschnitt (38) abgewandten Seite des Fensters (58), d. h. im Unterdruckbereich des Reaktors (12), angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Moden-Interferenzfilter (30) einen mit dem Reaktor (12) verbundenen Außenkörper (33) sowie einen axial in den Außenkörper (33) einschiebbaren Innenkörper (32) aufweist, wobei die Rundhohlleiterabschnitte (38, 40) in dem Innenkörper (32) und der Rechteckhohlleiterabschnitt (44) in dem Außenkörper (33) ausgebildet sind und ferner der Innenkörper (32) am Außenkörper (33) lösbar (37) befestigt ist.