DE102007039758B4 - Device and method for generating a plasma by low-frequency inductive excitation - Google Patents
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Abstract
Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung, umfassend einen Behälter (12) mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, und eine Induktivität (18), die mit dem Gas induktiv gekoppelt ist, sowie eine Leistungsquelle, die geeignet ist, in der Induktivität (18) ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfrequenz ν von unter 200 kHz zu erzeugen, wobei der Behälter (12) sphärisch oder näherungsweise sphärisch ist und die Induktivität (18) durch eine Spule gebildet wird, die den Behälter (12) umgibt, wobei ferner der Behälter (12) einen Äquatorbereich (42) umfaßt, in dem seine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert Amax auf einen Wert von Amax/2 abfällt, und zwei Polbereiche (44) umfaßt, in denen die Querschnittsfläche von Amax/2 auf Null abfällt, wobei mindestens eine Windung (18b, 18c) der Spule den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Äquatorbereich (42) umgibt und mindestens jeweils eine Windung...Device (10) for generating a plasma by inductive excitation, comprising a container (12) with a gas in which a plasma is to be generated, and an inductance (18) which is inductively coupled to the gas, and a power source which is suitable to generate an alternating current signal with an excitation frequency ν of less than 200 kHz in the inductance (18), the container (12) being spherical or approximately spherical and the inductance (18) being formed by a coil which the container (12 ), the container (12) further comprising an equatorial region (42) in which its cross-sectional area in a plane perpendicular to the induced magnetic field drops from a maximum value Amax to a value of Amax / 2, and comprises two pole regions (44) in which the cross-sectional area of Amax / 2 drops to zero, with at least one turn (18b, 18c) of the coil at least partially surrounding the container (12) in its equatorial region (42) and at least one turn each G...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 22.The present invention relates to a device for generating a plasma by inductive excitation according to the preamble of claim 1 and a method for generating a plasma by inductive excitation according to the preamble of
Induktiv gekoppelte Plasmen wurden seit mindestens 100 Jahren erzeugt und untersucht, wie beispielsweise bei J. Hopwood, „Review of inductively coupled plasmas for plasma processing”, Plasma Sources Science and Technology, 1 (1992) 109–116 beschrieben ist. Ein besonderer Vorteil der Erzeugung eines Plasmas durch induktive Kopplung besteht darin, daß keine Elektroden in direktem Kontakt mit dem Plasma stehen müssen. Eine Einrichtung der eingangs genannten Art umfaßt ein Behälter mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, und eine Induktivität, z. B. eine Spule, die mit dem Gas induktiv gekoppelt ist. Bei der induktiven Kopplung kann man die Induktivität als Primärwicklung eines Transformators auffassen, die in dem Gas ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der sich zeitlich ändernde magnetische Fluß induziert in dem Gas eine elektromotorische Kraft, die bei ausreichender Stärke ein Plasma zünden und aufrechterhalten kann. Die Entladung im Gas stellt dabei ein elektrisch leitendes Fluid dar, und der Ladungsfluß im Plasma kann als eine einzelne Sekundärwicklung angesehen werden, die mit der Induktivität als Primärwicklung effektiv einen Transformator bildet.Inductively coupled plasmas have been produced and studied for at least 100 years, as described, for example, in J. Hopwood, "Review of inductively coupled plasma for plasma processing", Plasma Sources Science and Technology, 1 (1992) 109-116. A particular advantage of generating a plasma by inductive coupling is that no electrodes must be in direct contact with the plasma. A device of the type mentioned comprises a container with a gas in which a plasma is to be generated, and an inductance, for. B. a coil which is inductively coupled to the gas. In the case of inductive coupling, the inductance can be regarded as the primary winding of a transformer which generates an alternating magnetic field in the gas. The time-varying magnetic flux induces in the gas an electromotive force which, with sufficient strength, can ignite and maintain a plasma. The discharge in the gas thereby constitutes an electrically conductive fluid, and the charge flow in the plasma can be regarded as a single secondary winding, which effectively forms a transformer with the inductance as the primary winding.
Gegenwärtig werden induktiv gekoppelte Plasmen üblicherweise im Hochfrequenzspektrum angeregt. Dabei werden in den meisten Fällen kommerziell erhältliche 13,56 MHz Anregungsquellen verwendet.At present inductively coupled plasmas are usually excited in the high frequency spectrum. In this case, commercially available 13.56 MHz excitation sources are used in most cases.
Die Anmeldeschriften
Die Patentschrift
Die
Der weitere Fortschritt bei der Erzeugung von induktiv angeregten Niederdruck-Entladungsplasmen wird vor allen Dingen von den zukünftig erreichbaren Elektronendichten abhängig sein. Obwohl die anteilsmäßige Ionisierung bei herkömmlichen induktiv gekoppelten Plasmen höher ist als bei kapazitiv gekoppelten Plasmen, ist sie doch insgesamt relativ niedrig. Gegenwärtig läßt sich durch induktive Anregung nur ein Bruchteil von 0,01 bis 0,1 der Gasatome im Plasma ionisieren. Wenn beispielsweise Entladungsplasmen für Belichtungsanwendungen mit einer Komponente im UV-Spektrum verwendet werden soll, wäre ein höheres Verhältnis von Ionen zu neutralen Atomen von großem Vorteil, da das Emissionsspektrum der angeregten Ionen im Vergleich zu demjenigen der angeregten neutralen Atome bei höheren Energien liegt. Im allgemeinen ist ein höherer Ionisationsgrad auch deshalb von Vorteil, weil sich dann bei gegebenem Gasdruck höherer Elektronendichten ergeben.The further progress in the generation of inductively excited low-pressure discharge plasmas will be dependent above all on the future achievable electron densities. Although the proportionate ionization is higher in conventional inductively coupled plasmas than in capacitively coupled plasmas, it is overall relatively low. At present, only a fraction of 0.01 to 0.1 of the gas atoms in the plasma can be ionized by inductive excitation. For example, if discharge plasmas are to be used for UV component imaging applications, a higher ion to neutral ratio would be of great benefit since the emission spectrum of the excited ions is higher than that of the excited neutral atoms at higher energies. In general, a higher degree of ionization is also advantageous because then arise at a given gas pressure higher electron densities.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch induktive Anregung anzugeben, mit denen sich höhere Elektronendichten im Plasma erreichen lassen.The invention has for its object to provide an apparatus and a method for generating a plasma by inductive excitation, which can be achieved with higher electron densities in the plasma.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a device having the features of claim 1 and a method having the features of
Gemäß der Erfindung wird bei der Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas eine Leistungsquelle verwendet, die geeignet ist, in der Induktivität ein Wechselstromsignal mit einer Anregungs-Frequenz ν von unter 200 kHz, vorzugsweise unter 100 kHz, besonders vorzugsweise von 1 kHz bis 50 kHz und insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz zu erzeugen. Dabei weist der Begriff „Wechselstromsignal” darauf hin, daß der Anregungsstrom in der Induktivität nicht notwendigerweise ein CW-Signal sein muß, sondern es kann sich auch beispielsweise um eine gedämpfte Schwingung mit nur einigen wenigen Nulldurchgängen handeln. According to the invention, a power source is used in the device for generating a plasma, which is suitable in the inductance, an AC signal with an excitation frequency ν of less than 200 kHz, preferably less than 100 kHz, particularly preferably from 1 kHz to 50 kHz and in particular from 10 kHz to 30 kHz. In this case, the term "AC signal" indicates that the excitation current in the inductance does not necessarily have to be a CW signal, but it may also be, for example, a damped oscillation with only a few zero crossings.
Der wesentliche Unterschied der Erfindung gegenüber bekannten Einrichtungen und Verfahren zur Erzeugung induktiv gekoppelter Plasmen besteht in den vergleichsweise sehr niedrigen Anregungsfrequenzen im kHz-Bereich. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich höhere Elektronendichten als in bisherigen Einrichtungen und Verfahren durch Absenken der Anregungsfrequenz erreichen lassen. Der Zusammenhang zwischen der Anregungsfrequenz und der erreichbaren Elektronendichte ergibt sich wie folgt.The essential difference of the invention over known devices and methods for producing inductively coupled plasmas consists in the comparatively very low excitation frequencies in the kHz range. The invention is based on the finding that higher electron densities than in previous devices and methods can be achieved by lowering the excitation frequency. The relationship between the excitation frequency and the achievable electron density is as follows.
Im allgemeinen wird bei einer induktiv gekoppelten Plasmaentladung die Leistung des anliegenden elektrischen Feldes innerhalb einer gewissen Skintiefe δ übertragen, siehe z. B. J. T. Gudmundsson and M. A. Liebermann: „Magnetic induction and plasma impedance in a planar inductive discharge”, Plasma Sources Science and Technology, 7 (1998) 83–95. Bei einem stoßdominierten Plasma, d. h. bei einem Plasma, bei dem die Frequenz νc der Kollisionen zwischen Elektronen und Neutralgasteilchen sehr viel größer als die Anregungsfrequenz ν ist, wurde gezeigt, daß eine maximale Effizienz der Einkopplung von Energie bei einer Skintiefe von
Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (3) in die Gleichung (2) ergibt sich folgende Beziehung: Substituting equations (1) and (3) into equation (2) gives the following relationship:
Aus Gleichung (4) erkennt man, daß die vom Plasma absorbierte Leistungsdichte invers proportional zur Anregungsfrequenz ν ist. Dies bedeutet also, daß sich unter sonst gleichen Bedingungen, wie induzierte Feldstärke Eeff und Plasmaradius rp mit niederfrequent angeregten Plasmen höhere Leistungsdichten erzielen lassen. Da wie eingangs erwähnt bei herkömmlichen induktiv gespeisten Plasmen Anregungsfrequenzen im MHz-Bereich verwendet werden, sollte sich die absorbierte Leistungsdichte wesentlich erhöhen lassen, wenn die Anregungsfrequenz gemäß der Erfindung abgesenkt wird, und insbesondere eine Anregungsfrequenz von unter 200 kHz verwendet wird. Dies wurde in ersten Experimenten auch bestätigt.It can be seen from equation (4) that the power density absorbed by the plasma is inversely proportional to the excitation frequency ν. This means that higher power densities can be achieved under otherwise identical conditions, such as induced field strength E eff and plasma radius r p with low-frequency excited plasmas. Since excitation frequencies in the MHz range are used in conventional inductively supplied plasmas as mentioned above, the absorbed power density should be substantially increased when the excitation frequency is lowered according to the invention, and in particular an excitation frequency below 200 kHz is used. This was also confirmed in first experiments.
Das Ergebnis von Gleichung (4) erlaubt auch eine Abschätzung der erreichbaren Elektronendichten. Im Geltungsbereich der Gleichung (1) skaliert die Elektronendichte ne linear mit der eingespeisten Leistung, wie beispielsweise von Hopwood et al. experimentell bestätigt wurde, siehe J. Hopwood et al.: J. Vac. Sci. Technol. All: 152, (1993). Für die im Plasma dissipierte Leistung gilt dann:
Die dissipierte Leistung Ẇdiss nach Gleichung (5) muß aufgrund der Energieerhaltung der insgesamt im Plasma absorbierten Leistung entsprechen. Die insgesamt absorbierte Leistung Ẇabs entspricht dem Volumintegral über die Leistungsdichte von Gleichung (4), die in einer qualitativen Betrachtung jedoch approximiert werden kann, indem die Leistungsdichte von Gleichung (4) mit dem Volumen Vp des Plasmas multipliziert wird, wodurch man erhält: The dissipated power Ẇ diss according to equation (5) must correspond to the total power absorbed in the plasma due to the energy conservation. The total absorbed power Ẇ abs corresponds to the volume integral over the power density of equation (4), which can be qualitatively approximated by multiplying the power density of equation (4) by the volume V p of the plasma, yielding
Durch Gleichsetzen von Gleichungen (5) und (6) (Energieerhaltung) erhalten wir folgenden genäherten Ausdruck für die Elektronendichte: By equating equations (5) and (6) (conserving energy) we obtain the following approximated expression for the electron density:
Wie Gleichung (7) zu entnehmen ist, ist die Elektronendichte ne in der Tat invers proportional zur Anregungsfrequenz ν, was wiederum bedeutet, daß sich höhere Elektronendichten ne bei niedrigeren Anregungsfrequenzen erhalten lassen. Daher löst die Erfindung die oben genannte Aufgabe durch die Verwendung niedrigerer Anregungsfrequenzen als im Stand der Technik.As can be seen from equation (7), the electron density n e is indeed inversely proportional to the excitation frequency ν, which in turn means that higher electron densities n e can be obtained at lower excitation frequencies. Therefore, the invention achieves the above object by using lower excitation frequencies than in the prior art.
Ferner erkennt man, daß die Elektronendichte ne proportional zum Verhältnis zwischen dem Volumen Vp und der effektiven Oberfläche Aeff ist. Dies bedeutet erstens, daß sich höhere Elektronendichten bei größeren Behältern erreichen lassen. Zweitens bedeutet dies, daß eine kugelförmige, d. h. sphärische Behältergeometrie, bei der das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche maximal ist, ebenfalls für das Erreichen einer hohen Elektronendichte ne vorteilhaft ist.Furthermore, it can be seen that the electron density n e is proportional to the ratio between the volume V p and the effective surface A eff . This means, firstly, that higher electron densities can be achieved with larger containers. Second, this means that a spherical, ie spherical, vessel geometry in which the ratio of volume to surface is maximal, is also advantageous for achieving a high electron density n e .
Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anregungsfrequenzen ν verwendet werden sollen, die rund drei Größenordnungen unter denjenigen liegen, die bei herkömmlichen induktiv gekoppelten Plasmen verwendet werden, wird eine vollständig neue Elektronik zum Antreiben der Induktivität benötigt. Eine Schwierigkeit liegt darin, daß zum Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas eine gewisse induzierte elektrische Feldstärke notwendig ist. Mit anderen Worten muß die effektive Feldstärke Eeff aus der obigen Gleichung (4) einen minimalen Wert übersteigen, damit es überhaupt zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas kommt. Die induzierte Feldstärke ist ihrerseits abhängig von der Höhe der zeitlichen Ableitung des magnetischen Flusses im Plasmabehälter, der wiederum proportional zur zeitlichen Ableitung der Stromstärke in der Induktivität ist. Man kann also davon ausgehen, daß gewisse Stromanstiegsraten in der Induktivität nicht unterschritten werden dürfen, damit es zum Zünden und Aufrechterhalten eines Plasmas kommt. Je geringer die Anregungsfrequenz, desto höher muß die Stromamplitude in der Induktivität gewählt werden, um eine ausreichende Stromanstiegsrate zu erhalten. Um die erfindungsgemäßen niedrigen Anregungsfrequenzen vewenden zu können, muß daher also eine Leistungsquelle bereitgestellt werden, die geeignet ist, in der Induktivität ein Wechselstromsignal mit sehr hoher Amplitude zu erzeugen.Since excitation frequencies ν are to be used in the context of the present invention, which are about three orders of magnitude lower than those used in conventional inductively coupled plasmas, completely new electronics are required for driving the inductance. One difficulty is that a certain induced electric field strength is necessary to ignite and maintain the plasma. In other words, the effective field strength E eff from the above equation (4) must exceed a minimum value in order for ignition and maintenance of the plasma to occur at all. The induced field strength is in turn dependent on the magnitude of the time derivative of the magnetic flux in the plasma vessel, which in turn is proportional to the time derivative of the current in the inductor. It can therefore be assumed that certain current rise rates in the inductance must not be exceeded, so that it comes to the ignition and maintenance of a plasma. The lower the excitation frequency, the higher the current amplitude in the inductance must be selected in order to obtain a sufficient current increase rate. In order to be able to use the low excitation frequencies according to the invention, therefore, a power source must be provided which is suitable for generating a very high amplitude alternating current signal in the inductance.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Leistungsquelle mindestens einen Kondensator, der auf eine Betriebsspannung aufladbar ist, und mindestens ein Schaltelement, welches in einen leitenden Zustand schaltbar ist und so angeschlossen ist, daß sich der mindestens eine Kondensator im leitenden Zustand des Schaltelementes durch die Induktivität entladen kann. Wie unten anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird, lassen sich mit einem derartigen Aufbau unter Verwendung moderner Leistungsschaltelemente ausreichend hohe Stromstärken erzeugen, die selbst bei den sehr niedrigen Anregungsfrequenzen der Erfindung zu einer Zündung des Plasmas führen.In an advantageous embodiment of the invention, the power source comprises at least one capacitor which can be charged to an operating voltage, and at least one switching element, which is switchable to a conductive state and is connected so that the at least one capacitor in the conductive state of the switching element through the Can discharge inductance. As will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments, sufficiently high current intensities can be generated with such a design using modern power switching elements, which lead to an ignition of the plasma even at the very low excitation frequencies of the invention.
Vorzugsweise bilden der mindestens eine Kondensator und die Induktivität Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises, dessen Eigenfrequenz der genannten Anregungsfrequenz ν entspricht. Nach dieser Weiterbildung wird also das genannte Wechselstromsignal in einem elektrischen Schwingkreis gebildet, der den Kondensator und die Induktivität enthält. Die Induktivität L0 und die Kapazität C0 des Kondensators können dann so abgestimmt werden, daß der Schwingkreis mit der gewünschten Anregungsfrequenz schwingt. Bei der Schwingung des Schwingkreises handelt es sich um eine gedämpfte Schwingung, zum einen aufgrund des ohmschen Widerstands der Induktivität, vor allem aber wegen der induktiven Kopplung mit dem Plasma, die ja gewünscht ist, um Energie aufs Plasma zu übertragen. Durch diese beiden Dämpfungsquellen ergibt sich einerseits eine gegenüber dem ungedämpften Schwingkreis verringerte Eigenfrequenz und zum anderen das bekannte Abklingen der gedämpften Schwingung. Ein solches abklingendes gedämpftes Schwingungssignal ist ein Beispiel des oben genannten „Wechselstromsignals”.The at least one capacitor and the inductance preferably form components of an undamped electrical resonant circuit whose natural frequency corresponds to said excitation frequency v. After this development, therefore, said AC signal is formed in an electrical resonant circuit, which contains the capacitor and the inductor. The inductance L 0 and the capacitance C 0 of the capacitor can then be tuned so that the resonant circuit oscillates at the desired excitation frequency. In the oscillation of the resonant circuit is a damped oscillation, on the one hand due to the ohmic resistance of the inductance, but especially because of the inductive coupling with the plasma that is desired to transfer energy to the plasma. By these two damping sources results on the one hand compared to the undamped resonant circuit reduced natural frequency and on the other hand, the known decay of the damped oscillation. Such a decaying damped oscillation signal is an example of the above-mentioned "AC signal".
Wie eingangs erwähnt wurde, muß die Stromanstiegsrate in der Induktivität ausreichend groß sein, um eine Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die Leistungsquelle so konstruiert, daß folgende Beziehung gilt: wobei ν wiederum die Anregungsfrequenz des Wechselstromsignals, I0 die maximale Amplitude des Wechselstromsignals, L0 die Induktivität und b den Umfang des Behälters in einer Ebene senkrecht zum von der Induktivität erzeugten Magnetfeld bezeichnet. Theoretische und experimentelle Untersuchungen des Erfinders haben ergeben, daß für diese Wahl der Parameter in der Tat eine Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas zu erwarten ist. Man beachte wiederum, daß gemäß der obigen Beziehung ein kleinerer Wert der Anregungsfrequenz ν eine um denselben Faktor höhere Stromstärke I0 erforderlich macht. Dies deutet wiederum darauf hin, daß bei den angestrebten sehr kleinen Anregungsfrequenzen hohe Ströme in der Induktivität benötigt werden. Der Erfinder konnte jedoch bestätigen, daß sich ausreichend hohe Ströme mit modernen Leistungsschaltelementen schalten lassen, wie unten anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert wird.As mentioned above, the rate of current rise in the inductor must be sufficiently large to allow ignition and maintenance of the plasma. Preferably, the power source is constructed so that the following relationship applies: where ν again denotes the excitation frequency of the alternating current signal, I 0 the maximum amplitude of the alternating current signal, L 0 the inductance and b the circumference of the container in a plane perpendicular to the magnetic field generated by the inductance. Theoretical and experimental investigations of the inventor have shown that ignition and maintenance of the plasma are indeed to be expected for this choice of parameters. Note again that, according to the above relationship, a smaller value of the excitation frequency ν requires a current factor I 0 which is higher by the same factor. This in turn indicates that high currents are required in the inductance at the desired very small excitation frequencies. However, the inventor was able to confirm that sufficiently high currents can be switched with modern power switching elements, as will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.
Vorzugsweise umfaßt das Schaltelement mindestens einen Thyristor, mindestens einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode) oder mindestens einen Gasentladungsschalter wie beispielsweise ein Ignitron. Der Vorteil von Thyristoren besteht darin, daß sie besonders hohe Ströme schalten können. IGBTs können typischerweise nicht ganz so hohe Ströme schalten wie Thyristoren, haben aber dafür den Vorteil, daß sie gezielt ausgeschaltet werden können. Der Thyristor hingegen wird erst durch Unterschreiten eines Haltestroms in den Sperrzustand versetzt.Preferably, the switching element comprises at least one thyristor, at least one IGBT (insulated gate bipolar transistor, insulated gate bipolar transistor) or at least one gas discharge switch, such as an ignitron. The advantage of thyristors is that they can switch very high currents. IGBTs typically can not switch quite as high currents as thyristors, but have the advantage that they can be selectively switched off. The thyristor, however, is only offset by falling below a holding current in the blocking state.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schaltelement zwischen dem Kondensator und dem Massepotential angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung befindet sich die Induktivität vor dem Aktivieren des Schaltelements auf Massepotential, was Vorteile bezüglich der Betriebssicherheit mit sich bringt. In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform befindet sich das Schaltelement zwischen der Induktivität und dem Massepotential. Diese Anordnung ist in sofern vorteilhaft, als sie zur Vermeidung von parasitären Induktivitäten zwischen dem Schaltelement und dem Schwingkreis beiträgt.In an advantageous embodiment, the switching element is arranged between the capacitor and the ground potential. In such an arrangement, the inductance is at ground potential prior to activation of the switching element, which brings advantages in terms of reliability with it. In an alternative advantageous embodiment, the switching element is located between the inductance and the ground potential. This arrangement is advantageous in so far as it contributes to the avoidance of parasitic inductances between the switching element and the resonant circuit.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird das Schaltelement durch eine Vollwegbrücke gebildet, die vier Schalter, insbesondere Thyristoren und/oder IGBTs umfaßt, die paarweise abwechselnd ansteuerbar sind. Solch eine Vollwegbrücke eignet sich insbesondere für einen „Quasi-CW-Betrieb”, insbesondere bei Anwendungen mit sehr hoher Leistung, wie sie beispielsweise bei der Sterilisation von großen Mengen von Trinkwasser durch Plasmaentladungsbestrahlung erforderlich sind. Ein Beispiel einer solchen Vollwegbrücke wird in der folgenden Beschreibung gezeigt.In a particularly advantageous development, the switching element is formed by a full-wave bridge, which comprises four switches, in particular thyristors and / or IGBTs, which can be controlled in pairs alternately. Such a full-wave bridge is particularly suitable for "quasi-CW operation", especially in very high power applications, such as those required in the sterilization of large quantities of drinking water by plasma discharge irradiation. An example of such a full-wave bridge will be shown in the following description.
Vorzugsweise haben der mindestens eine Kondensator oder eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren eine Gesamtkapazität von 1 μF bis 100 μF, und besonders vorzugsweise von 6 μF bis 20 μF. Ferner ist in einer vorteilhaften Weiterbildung die Leistungsquelle dazu ausgelegt, maximale Stromanstiegsraten von 300 A/μs bis 30 kλ/μs, vorzugsweise von 1 kM/μs bis 10 kM/μs zu erzeugen. Ferner beträgt die Induktivität L0 vorzugsweise zwischen 1 μH bis 10 μH, und besonders vorzugsweise 1,5 μH bis 2,5 μH.Preferably, the at least one capacitor or a plurality of capacitors connected in parallel have a total capacitance of 1 μF to 100 μF, and more preferably from 6 μF to 20 μF. Furthermore, in an advantageous development, the power source is designed to generate maximum current rise rates of 300 A / μs to 30 kλ / μs, preferably from 1 kM / μs to 10 kM / μs. Further, the inductance L 0 is preferably between 1 μH to 10 μH, and more preferably 1.5 μH to 2.5 μH.
Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, muß die Leistungsquelle dazu ausgelegt sein, relativ hohe Ströme mit verhältnismäßig hohen Stromanstiegsraten zu erzeugen. Jedoch zeigen die Parameterbereiche der bevorzugten Ausführungsformen, daß dies mit modernen Leistungselektronikbauteilen durchaus möglich ist, und weitere konkrete Beispiele werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen gezeigt. Gleichzeitig hat jedoch der hier beschriebene Weg zusätzlich zu der potentiell höheren erreichbaren Elektronendichte auch weitere praktische Vorteile gegenüber herkömmlichen induktiven Plasmaanregungen im MHz-Bereich. Zum einen ist die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Leistungsquelle in ihrem Aufbau wesentlich einfacher als HF-Quellen, und die bekannten EMV-Probleme der Hochfrequenztechnologie entfallen nahezu vollständig. Auch ist die kapazitive Kopplung zwischen der Induktivität und dem Plasma im Vergleich zur HF-Anregung vernachlässigbar.As will be apparent from the above description, the power source must be designed to produce relatively high currents at relatively high current rise rates. However, the parameter ranges of the preferred embodiments show that this is entirely possible with modern power electronics components, and further concrete examples are shown in the following embodiments. At the same time, however, the route described here, in addition to the potentially higher achievable electron density, also has other practical advantages over conventional inductive plasma excitations in the MHz range. On the one hand, the power source described in the embodiments is much simpler in construction than HF sources, and the known EMC problems of high-frequency technology are almost completely eliminated. Also, the capacitive coupling between the inductor and the plasma is negligible compared to RF excitation.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Plasmaanregung besteht darin, daß das Plasma bereits aufgrund der verwendeten hohen Ströme eingeschlossen bzw. lokalisiert ist. Diesen Einschluß des Plasmas bezeichnet man in der Literatur oft als „confinement”. Bei HF-Plasmen werden statt dessen zusätzliche Spulen zum Lokalisieren des Plasmas benötigt, die bei der Erfindung wegfallen können. Obwohl also die ursprüngliche Motivation der Erfindung darin bestand, höhere Elektronendichten zu erzeugen, hat die Erfindung auch unabhängig davon eine Reihe konstruktive Vorteile, die bei HF-Anregung fehlen. Another advantage of the plasma excitation according to the invention is that the plasma is already trapped or localized due to the high currents used. This inclusion of the plasma is often called "confinement" in the literature. In RF plasmas, additional coils are needed instead to locate the plasma, which can be eliminated in the invention. Thus, although the original motivation of the invention was to produce higher electron densities, the invention also has a number of constructive advantages that are lacking in RF excitation.
Die Induktivität wird vorzugsweise durch eine Spule gebildet, die den Behälter umgibt. Die Spule hat dabei vorzugsweise eine Windungszahl n0 von zwei bis acht, und besonders vorzugsweise von vier bis sechs. Höhere Windungszahlen, die eine höhere Induktivität L0 mit sich brächten, sind deshalb unvorteilhaft, weil sie eine Erhöhung der Ladespannung des Kondensators erforderlich machen würden, die wiederum unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit und Praktikabilität nicht wünschenswert ist. Wie eingangs erwähnt wurde, ähnelt nämlich die Wechselwirkung zwischen der Induktivität und dem Plasma derjenigen zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule eines Transformators, wobei die „Sekundärspule” durch den Ladungsstrom im Plasma gebildet wird und somit, um im Transformatorbild zu bleiben, lediglich eine „Windung” aufweist. Da die an der Induktivität anliegende Spannung gemäß dem Windungsverhältnis heruntertransformiert wird, sind Windungszahlen von weniger als acht im Hinblick auf die im Plasma induzierte Spannung vorteilhaft, weil dann die Primärspannung in einem unter praktischen Gesichtspunkten handhabbaren Bereich bleiben kann, beispielsweise unter 10 kV.The inductance is preferably formed by a coil surrounding the container. The coil preferably has a number of turns n 0 from two to eight, and particularly preferably from four to six. Higher numbers of turns, which would bring about a higher inductance L 0 , are disadvantageous because they would require an increase in the charging voltage of the capacitor, which in turn is undesirable from the point of view of simplicity and practicality. Namely, as mentioned above, the interaction between the inductance and the plasma resembles that between a primary coil and a secondary coil of a transformer, the "secondary coil" being formed by the charge current in the plasma and thus, to remain in the transformer image, only a "turn " having. Since the voltage applied to the inductance is stepped down according to the turns ratio, turns of less than eight are advantageous in terms of the voltage induced in the plasma, because then the primary voltage can remain in a practically manageable range, for example below 10 kV.
Vorzugsweise ist der Behälter, d. h. das Entladungsgefäß sphärisch oder näherungsweise sphärisch. Ein sphärischer, d. h. kugelförmiger Behälter hat den Vorteil, daß er ein großes Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche hat, was nach der obigen Gleichung (7) wiederum eine höhere Elektronendichte erlaubt. Insofern ist ein sphärischer Behälter für die Zwecke der Erfindung ideal. Ein „näherungsweise sphärischer” Behälter ist in der vorliegenden Schrift ein Behälter, dessen Form demjenigen eines sphärischen Behälters zumindest insofern ähnelt, als er ein Verhältnis von Volumen zur Oberfläche hat, das um weniger als 20% von demjenigen eines exakt sphärischen Behälters gleichen Volumens abweicht.Preferably, the container, i. H. the discharge vessel spherical or approximately spherical. A spherical, d. H. Spherical container has the advantage that it has a large volume / surface ratio, which in turn allows higher electron density according to equation (7) above. As such, a spherical container is ideal for the purposes of the invention. An "approximately spherical" container in the present specification is a container whose shape is similar to that of a spherical container, at least insofar as it has a volume to surface ratio that differs by less than 20% from that of an exactly spherical container of equal volume.
Ein sphärischer und ein „näherungsweise sphärischer” Behälter im Sinne der Offenbarung stimmen im übrigen insofern überein, als der Behälter einen Äquatorbereich umfaßt, in dem die Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert Amax auf einen Wert von Amax/2 abfällt, und zwei Polbereiche aufweist, in denen die Querschnittsfläche von Amax/2 auf Null abfällt. Insofern ist beispielsweise ein zylindrischer Behälter nicht „näherungsweise sphärisch”, weil er keinen Äquatorbereich und keine Polbereiche nach dieser Definition umfaßt.A spherical and an "approximately spherical" container in the sense of the disclosure also agree insofar as the container comprises an equatorial region in which the cross-sectional area in a plane perpendicular to the induced magnetic field from a maximum value A max to a value of A max / 2 decreases, and has two Polbereiche in which the cross-sectional area of A max / 2 drops to zero. As such, for example, a cylindrical container is not "approximately spherical" because it does not include an equatorial region and pole regions as defined herein.
Vorzugsweise umgibt mindestens eine der Windungen der Induktivität den Behälter zumindest teilweise in dessen Äquatorbereich und umgibt mindestens jeweils eine Windung den Behälter zumindest teilweise in dessen Polbereichen. Dabei weist der Begriff „zumindest teilweise” darauf hin, daß die Windung auch auf der Grenze zwischen dem Äquatorbereich und einem Polbereich liegen kann, was aufgrund der verhältnismäßig großen Breite der Leiterbänder der Induktivität durchaus den Fall sein kann. Gemäß dieser Weiterbildung gibt es also mindestens eine Windung im Äquatorbereich, die die Wirkung einer herkömmlichen Zylinderspule hat, und mindestens jeweils eine Windung in jedem der Polbereiche, die ihrer Wirkung nach einer planaren Spule ähnlich sind, die in der Fachliteratur auch als „pancake coil” bezeichnet wird.At least one of the turns of the inductance preferably surrounds the container at least partially in its equatorial region, and at least one turn in each case surrounds the container at least partially in its pole regions. The term "at least partially" indicates that the winding can also lie on the boundary between the equatorial region and a pole region, which may well be due to the relatively large width of the conductor strips of the inductance. According to this development, there is thus at least one winding in the equatorial region, which has the effect of a conventional cylindrical coil, and at least one turn in each of the pole regions, which are similar in effect to a planar coil, which in the literature as "pancake coil" referred to as.
Planare Spule haben den Vorteil, daß sie Streuflüsse verringern und dadurch eine erhöhte Kopplungseffizienz erlauben. In der hier beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung kann die Spulenanordnung als Kombination einer herkömmlichen Zylinderspule und einer herkömmlichen Planarspule aufgefaßt werden, die die Vorteile beider Anordnungen vereint. Tatsächlich führt der hier beschriebene Aufbau dazu, daß ein ausreichender Teil der Streuflüsse in dem Plasma enthalten ist, wodurch eine erhöhte magnetische Kopplung und somit eine erhöhte Effizienz des Energietransfers zwischen der Induktivität und dem Plasma erreicht wird. Gleichzeitig ist die kapazitive Kopplung zwischen der Spule und dem Plasma trotz der Verwendung einer einer planaren Spule ähnlichen Geometrie im Vergleich zu einem HF-Betrieb vernachlässigbar.Planar coil have the advantage that they reduce leakage flux and thereby allow increased coupling efficiency. In the advantageous development described here, the coil arrangement can be understood as a combination of a conventional cylindrical coil and a conventional planar coil, which combines the advantages of both arrangements. In fact, the structure described here results in that a sufficient part of the leakage fluxes is contained in the plasma, whereby an increased magnetic coupling and thus an increased efficiency of the energy transfer between the inductance and the plasma is achieved. At the same time, despite the use of a planar coil-like geometry, the capacitive coupling between the coil and the plasma is negligible compared to RF operation.
Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung eine Steuerung, die geeignet ist, das mindestens eine Schaltelement periodisch mit einer Pulsfrequenz so anzusteuern, daß es in seinen leitfähigen Zustand schaltet. Dadurch wird ein gepulster Betrieb der Einrichtung erreicht. Die Pulsfrequenz beträgt dabei mindestens 1 Hz, vorzugsweise mindestens 10 Hz und besonders vorzugsweise mindestens 50 Hz. Wenn das Wechselstromsignal beispielsweise innerhalb von 150 bis 200 μs abfällt, sind bei solchen Pulsfrequenzen die Anregungspulse bezogen auf ihre Länge jedoch immer noch zeitlich relativ weit voneinander entfernt, oder mit anderen Worten ist das Tastverhältnis verhältnismäßig niedrig. Durch Einstellen des Tastverhältnisses kann die Leistung der Einrichtung vorgegeben werden. Die Leistung kann erhöht werden, indem die Pulsfrequenz erhöht wird, bis im Extremfall ein „quasikontinuierlicher”, d. h. ein „Quasi-CW”-Betrieb erreicht wird. Ein echter CW-Betrieb scheidet für die meisten Anwendungen sicherlich aus, weil Stromstärken im Bereich von kA und Spannungen im Bereich von kV Spitzenimpulsleistungen im MW-Bereich implizieren. Lediglich in sehr großen Entladungskammern, deren Größenordnung im Bereich von 1 m bis 10 m liegen würde, könnte ein CW-Betrieb in Frage kommen.Preferably, the device comprises a controller which is suitable for periodically activating the at least one switching element at a pulse frequency in such a way that it switches to its conductive state. This achieves pulsed operation of the device. The pulse frequency is at least 1 Hz, preferably at least 10 Hz and particularly preferably at least 50 Hz. If the alternating current signal drops, for example, within 150 to 200 μs, at such pulse frequencies, the excitation pulses are still relatively distant in time relative to their length, or in other words the duty cycle is relatively low. Adjusting the duty cycle can improve performance the institution can be specified. The power can be increased by increasing the pulse rate until, in extreme cases, a "quasicontinuous", ie a "quasi-CW" operation is achieved. A true CW operation is certainly out of the question for most applications because current strengths in the range of kA and voltages in the range of kV imply peak pulse power in the MW range. Only in very large discharge chambers, whose order of magnitude would be in the range of 1 m to 10 m, could a CW operation come into question.
Die hier beschriebene Einrichtung zum Erzeugen eines induktiv gekoppelten Plasmas kann in einer Vielzahl von Anwendungen auf vorteilhafte Weise eingesetzt werden. Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht in einer Einrichtung zum Sterilisieren von Trinkwasser, bei der das zu sterilisierende Wasser in unmittelbarer Nähe einer Plasmaentladungsquelle vorbeigeführt oder durch sie hindurch geleitet wird, wobei die Plasmaentladungsquelle eine Einrichtung zur Plasmaerzeugung nach einer der oben beschriebenen Arten umfaßt. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Plasmaerzeugung ist für die Anwendung der Trinkwasseraufbereitung besonders vorteilhaft, weil sie eine hohe Leistung und hohe Elektronendichten ermöglicht und gleichzeitig aufgrund des Betriebs im kHz- statt im MHz-Bereich technologisch einfacher ist und insbesondere die bekannten EMV-Probleme der Hochfrequenztechnologie umgeht. In dieser Hinsicht eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung in idealer Weise für die Trinkwasseraufbereitung.The inductively coupled plasma generating device described herein may be used to advantage in a variety of applications. A particularly advantageous application of the invention consists in a device for sterilizing drinking water, in which the water to be sterilized is passed or passed through in the immediate vicinity of a plasma discharge source, wherein the plasma discharge source comprises a device for plasma generation according to one of the types described above. The plasma generation device according to the invention is particularly advantageous for the application of drinking water treatment, because it enables high power and high electron densities and at the same time is technologically simpler due to the operation in the kHz instead of in the MHz range and in particular circumvents the known EMC problems of high-frequency technology. In this regard, the device according to the invention is ideally suited for drinking water treatment.
Eine weitere sehr vorteilhafte Anwendung der Erfindung liegt in der Lithographie von Halbleiterstrukturen. Aufgrund der höheren erreichbaren Elektronendichte ne verschiebt sich das Emissionsspektrum in Richtung kürzerer Wellenlängen, so daß die Erfindung insbesondere für die Erzeugung kurzwelligen UV-Lichts, sogenannter V-UV-Strahlung, geeignet ist, die in der Halbleiterlithographie nützlich ist. Die Einrichtung ist darüber hinaus allgemein als Lichtquelle für kurzwellige UV-Strahlung einsetzbar.Another very advantageous application of the invention is in the lithography of semiconductor structures. Due to the higher achievable electron density n e , the emission spectrum shifts in the direction of shorter wavelengths, so that the invention is particularly suitable for the generation of short-wave UV light, so-called V-UV radiation, which is useful in semiconductor lithography. The device is also generally used as a light source for short-wave UV radiation.
Aufgrund der hohen erzielbaren Elektronendichte eignet sich die Erfindung ferner zur Erzeugung von industriellen Prozeßplasmen, wie sie z. B. in der Halbleiterindustrie bei Ionenätzprozessen (sog. Sputtern) verwendet werden.Due to the high achievable electron density, the invention is also suitable for the production of industrial process plasma, as z. B. in the semiconductor industry in ion etching processes (so-called sputtering) can be used.
Aufgrund der hohen Plasmadichten und Temperaturen eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenso als Plasmatriebwerk. Hierbei wird durch elektromagnetische Induktion Elektronen-los die Enthalpie eines Arbeitsgases erhöht und diese dann durch Gasexpansion über eine Düse zur Erzeugung eines Rückstoßes nutzbar gemacht.Due to the high plasma densities and temperatures, the device according to the invention is also suitable as a plasma engine. In this case, the enthalpy of a working gas is increased by electromagnetic induction electron-free and then made usable by gas expansion via a nozzle to generate a recoil.
Zum Besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im folgenden auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, die anhand spezifischer Terminologie beschrieben sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll, da derartige Veränderungen und weitere Modifizierungen an der gezeigten Einrichtung und dem gezeigten Verfahren sowie derartige weitere Anwendungen der Erfindung, wie sie darin aufgezeigt sind, als übliches derzeitiges oder künftiges Fachwissen eines zuständigen Fachmanns angesehen werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung nämlich:For a better understanding of the present invention, reference will be made below to the preferred embodiments illustrated in the drawings, which are described in terms of specific terminology. It should be understood, however, that the scope of the invention should not be so limited since such changes and other modifications to the illustrated apparatus and method, as well as such other uses of the invention as set forth herein, are to be considered as current or future knowledge a competent person. The figures show embodiments of the invention namely:
Die Einrichtung
Der Behälter
Wie insbesondere in
Die Kondensatoren
In
Im folgenden wird die Funktion der Plasmaerzeugungseinrichtung
Da die Plasmaentladung als elektrisch leitfähiges Fluid betrachtet werden kann, welches von der Spule
Durch den beschriebenen Aufbau läßt sich also ein Plasma durch induktive Kopplung mit einer Anregungsfrequenz erzeugen, die mit lediglich 29 kHz um rund drei Größenordnungen unter den üblichen Anregungsfrequenzen liegt. Wie eingangs erwähnt wurde, läßt sich bei derart niedrigen Anregungsfrequenzen eine höhere Elektronendichte im Plasma erzeugen. Erste spektroskopische Untersuchungen des Plasmas weisen in der Tat auf eine deutlich erhöhte Elektronendichte hin. As a result of the construction described, a plasma can be produced by inductive coupling with an excitation frequency which is only about three orders of magnitude below the usual excitation frequencies at only 29 kHz. As mentioned at the beginning, a higher electron density in the plasma can be generated at such low excitation frequencies. First spectroscopic investigations of the plasma indicate indeed a significantly increased electron density.
Nach dem Erlöschen des Plasmas wird der Kondensator
In
Der Behälter
Wesentlich für die besonders gute Kopplung zwischen der Induktionsspule
Ein weiterer Grund für die sehr hohe Kopplungseffizienz liegt darin, daß die Spulensegmente
Die hier konkret beschriebene Ausführungsform dient vor allem zum Demonstrieren der Prinzipien der Erfindung, und viele Abwandlungen sind möglich. Vielversprechend sind insbesondere Anwendungen mit größeren Behältern und Kondensatoren höherer Kapazitäten. Im folgenden werden einige Abwandlungen hinsichtlich der Leistungsquelle bzw. der Schaltung der Komponenten diskutiert.The embodiment specifically described here above all serves to demonstrate the principles of the invention, and many modifications are possible. Particularly promising are applications with larger containers and capacitors of higher capacities. In the following, some modifications regarding the power source and the circuit of the components will be discussed.
Die Ersatzschaltbilder von
Obgleich in den Zeichnungen und der vorherigen Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, daß nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen.Although preferred embodiments have been shown and described in detail in the drawings and the foregoing specification, this should be considered as illustrative and not restrictive of the invention. It should be understood that only the preferred embodiments are shown and described and all changes and modifications that are presently and in the future within the scope of the invention should be protected.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Einrichtung zur PlasmaerzeugungDevice for plasma generation
- 1212
- Behältercontainer
- 1414
- Flanschflange
- 1616
- Gaszufuhrgas supply
- 1818
- Induktionsspuleinduction coil
- 2020
- Spulenhalterungcoil holder
- 2222
- Verbindungselemente zwischen SpulensegmentenConnecting elements between coil segments
- 2424
- Kondensatorcapacitor
- 2626
-
erster Anschluß des Kondensators
24 first connection of thecapacitor 24 - 2828
- Stromzufuhrpower
- 3030
-
zweiter Anschluß des Kondensators
24 second connection of thecapacitor 24 - 3232
-
erstes Ende der Spule
18 first end of thecoil 18 - 3434
-
zweites Ende der Spule
18 second end of thecoil 18 - 3636
- Ignitronignitron
- 3838
- Steuereingang des IgnitronsControl input of the Ignitrons
- 4040
- Thyristorpaarthyristor
- 4242
- Äquatorbereichequatorial region
- 4444
- Polbereichepole areas
- 4646
- Äquatorebeneequatorial plane
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