DE102008062619B4

DE102008062619B4 - A microwave plasma source and method of forming a linearly elongated plasma at atmospheric pressure conditions

Info

Publication number: DE102008062619B4
Application number: DE102008062619A
Authority: DE
Inventors: Julius Roch; Dr. Dani Ines; Prof. Dr. Kaskel Stefan
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Technikum Laubholz GmbH TLH
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: DE102008062619B8; WO2010066247A3; WO2010066247A2; DE102008062619A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenplasmaquelle und ein Verfahren zur Bildung eines linear langgestreckten Plasma bei Atmosphärendruckbedingungen. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für eine großflächige Modifizierung von Substratoberflächen mit einem bei Atmosphärendruckbedingungen gebildeten Plasma zu schaffen, bei denen konstante Bedingungen über die gesamte zu modifizierende Oberfläche eingehalten werden können. Bei einer erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmaquelle sind an einer Plasmakammer mindestens eine Plasmaaustrittsdüse und mindestens eine Zuführung für ein Plasmagas vorhanden. An einer Plasmakammer mit nicht rotationssymmetrischem Querschnitt sind mindestens zwei Einheiten, die mit jeweils mindestens einem Magnetron und einer Schlitzantenne gebildet sind, außerhalb der Plasmakammer an zwei sich diametral gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Die Magentrons sollen alternierend gepulst betrieben werden.The invention relates to a microwave plasma source and a method for forming a linearly elongated plasma under atmospheric pressure conditions. The object of the invention is to create possibilities for a large-area modification of substrate surfaces with a plasma formed under atmospheric pressure conditions, in which constant conditions can be maintained over the entire surface to be modified. In the case of a microwave plasma source according to the invention, at least one plasma outlet nozzle and at least one feed for a plasma gas are present on a plasma chamber. On a plasma chamber with a non-rotationally symmetrical cross-section, at least two units, each formed with at least one magnetron and one slot antenna, are arranged outside the plasma chamber on two diametrically opposite sides. The Magentrons should be operated in alternating pulses.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenplasmaquelle und ein Verfahren zur Bildung eines linear langgestreckten Plasma bei Atmosphärendruckbedingungen.The invention relates to a microwave plasma source and a method for forming a linearly elongated plasma at atmospheric pressure conditions.

So sind Plasmaquellen, die mit Mikrowellen unter Atmosphärendruckbedingungen arbeiten, bisher nur geeignet kugelförmige oder zylinderscheibenförmige Plasmen langzeitstabil zu bilden. Dabei ist jeglicher Wandkontakt des gebildeten Plasmas innerhalb einer Plasmakammer zu vermeiden, da dies zu einer Zerstörung führen würde.Thus, plasma sources that work with microwaves under atmospheric pressure conditions, so far only suitable to form spherical or cylindrical disk-shaped plasmas long-term stability. In this case, any wall contact of the plasma formed within a plasma chamber should be avoided, as this would lead to destruction.

In WO 98/59359 A1 sind Mikrowellenplasmaquellen beschrieben. Dabei ist eine Plasmakammer, die in Form eines Hohlzylinders, also rotationssymmetrisch, ausgebildet ist, von einem Mikrowellen-Resonator umschlossen, über den Mikrowellen eines Mikrowellengenerators unter Einhaltung von Resonanzbedingungen, zumindest jedoch annähernd Resonanzbedingungen über verteilte Schlitzantennen in die Plasmakammer eingekoppelt werden. Die Mikrowellen werden dabei phasengleich eingekoppelt. Dadurch kann nur ein einziger Mikrowellengenerator an einer solchen Plasmaquelle eingesetzt werden. Dadurch ist die maximal nutzbare Leistung limitiert. Dies trifft auch auf das erreichbare Plasmavolumen, wegen der Selbstabschirmung, zu.In WO 98/59359 A1 Microwave plasma sources are described. In this case, a plasma chamber, which is in the form of a hollow cylinder, that is rotationally symmetrical, enclosed by a microwave resonator, are coupled via the microwave of a microwave generator in compliance with resonance conditions, but at least approximately resonance conditions via distributed slot antennas in the plasma chamber. The microwaves are coupled in phase. As a result, only a single microwave generator can be used on such a plasma source. This limits the maximum usable power. This also applies to the achievable plasma volume, because of the self-shielding.

Mit einem in die Plasmakammer zugeführtem Plasmagas kann durch die zugeführte Mikrowellenenergie ein Plasma gebildet werden, das aus einer oder bevorzugt auch mehreren Plasmaaustrittsdüsen, die in einer Stirnfläche der Plasmakammer ausgebildet sind, ausgetrieben und dann das Plasma für eine Oberflächenmodifizierung von Substraten oder zur Bildung von Nanopartikeln in der Gasphase genutzt werden kann.With a plasma gas supplied into the plasma chamber, a plasma can be formed by the supplied microwave energy, which is expelled from one or preferably also a plurality of plasma discharge nozzles, which are formed in an end face of the plasma chamber, and then the plasma for a surface modification of substrates or for the formation of nanoparticles can be used in the gas phase.

Weiter auf diese Lösung aufbauend, wird in DE 102 39 875 A1 darauf hingewiesen, dass neben dem Plasmagas ein weiterer Gasstrom in die Plasmakammer eingeführt werden kann, mit dem eine Spülung und Kühlung innerhalb der Plasmakammer erreichbar ist. Diese Gasströmung soll bevorzugt parallel zur inneren Mantelfläche einer zylindrischen Plasmakammer, ausgehend von einer der beiden Stirnseiten der Plasmakammer geführt werden. Auch hier ist wieder eine Plasmakammer, die als Hohlzylinder ausgebildet ist, vorhanden.Further building on this solution will be in DE 102 39 875 A1 pointed out that in addition to the plasma gas another gas flow can be introduced into the plasma chamber, with the flushing and cooling within the plasma chamber can be achieved. This gas flow should preferably be performed parallel to the inner surface of a cylindrical plasma chamber, starting from one of the two end faces of the plasma chamber. Again, a plasma chamber, which is designed as a hollow cylinder, is present again.

Wegen der Gestalt und des begrenzten Volumens des gebildeten Plasma kann eine modifizierende Bearbeitung großer Oberflächenbereiche mit dem gebildeten Plasma auch bei einer Relativbewegung von Plasmaquelle und einem zu modifizierenden Substrat, nicht ohne weiteres erreicht werden. Dies trifft zumindest für die Einhaltung konstanter Verhältnisse bzw. Parameter über den jeweils mit Plasma beaufschlagten Oberflächenbereich zu. So können keine gleichen Plasmaparameter über eine größere Fläche eingehalten werden, da auch das in den bekannten Plasmaquellen gebildete Plasma nicht homogen austreten kann. Für eine Modifizierung werden häufig auch Precusoren zugegeben, die mit dem zur Bildung des Plasma eingesetzten Gas und dem gebildeten Plasma beeinflusst werden. Es ist dabei häufig nicht möglich eine konstante Konsistenz des gebildeten Plasma, mit dem die jeweilige zu modifizierende Oberfläche beeinflusst wird, im gesamten Plasmavolumen einhalten zu können. So sind beispielsweise Beschichtungen über die Fläche nicht homogen. Bei einer Ätzbehandlung können ebenfalls Ungleichförmigkeiten auftreten.Because of the shape and the limited volume of the plasma formed, a modifying processing of large surface areas with the formed plasma, even with a relative movement of the plasma source and a substrate to be modified, can not be readily achieved. This is true at least for the maintenance of constant conditions or parameters over the respective surface area exposed to plasma. Thus, no same plasma parameters can be maintained over a larger area, since even the plasma formed in the known plasma sources can not escape homogeneously. For modification, precursors are often added, which are influenced by the gas used to form the plasma and the plasma formed. It is often not possible to be able to maintain a constant consistency of the plasma formed, with which the respective surface to be modified is affected, in the entire plasma volume. For example, coatings over the surface are not homogeneous. Non-uniformities may also occur in an etching treatment.

Durch geschickte Wahl von Geometrien von Plasmaaustrittsdüsen und deren Anordnung können Bearbeitungsbreiten von maximal 150 mm mit einer Plasmaquelle abgedeckt werden. Dafür ist aber ein hoher und daher kostentreibender Anteil an Argon erforderlich.By clever choice of geometries of plasma discharge nozzles and their arrangement, processing widths of a maximum of 150 mm can be covered with a plasma source. But for a high and therefore cost-driving share of argon is required.

Auch beim gleichzeitigen Einsatz mehrerer Mikrowellenplamsmaquellen, die nebeneinander und ggf. auch mit Überdeckung betrieben werden ist die Einhaltung konstanter Bedingungen bei der Modifizierung größerer Flächen nicht ohne weiteres möglich. Außerdem sind die Kosten für eine Mehrzahl von Plasmaquellen ebenfalls nachteilig.Even with the simultaneous use of several Mikrowellenplamsmaquellen that are operated side by side and possibly also with coverage is the maintenance of constant conditions in the modification of larger areas not readily possible. In addition, the cost of a plurality of plasma sources is also disadvantageous.

Außerdem ist aus DE 41 13 142 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Glimmentladungen, vorzugsweise für ein Großflächen-Plasma-CVD-Verfahren bekannt. Dabei soll die Vorrichtung aus einer Vakuumkammer und einem Mikrowellen-Hohlleiter-Resonator mit einer oder mehreren Koppelstellen gebildet sein.Besides, it is off DE 41 13 142 A1 a device for generating glow discharges, preferably for a large-area plasma CVD method known. The device should be formed of a vacuum chamber and a microwave waveguide resonator with one or more coupling points.

Das US 6,177,148 B1 betrifft ein Plasma-CVD-System, bei dem mehrere Magnetrons in einer Reihenanordnung innerhalb einer Vakuumkammer zur Beschichtung von Substraten angeordnet sein sollen.The US 6,177,148 B1 relates to a plasma CVD system in which a plurality of magnetrons are to be arranged in a series arrangement within a vacuum chamber for coating substrates.

In US 4,957,061 A ist eine Vorrichtung zur Bildung feiner Partikel bekannt, bei der mehrere Kammern nacheinander angeordnet sind, beschrieben.In US 4,957,061 A a device for forming fine particles is known in which a plurality of chambers are arranged one after the other described.

Die DE 10 2005 060 068 A1 betrifft eine Mikrowellenplasmaquelle, bei der eine Plasmaquelle von einem Mikrowellen-Resonator umschlossen ist. Außerdem ist in der Plasmakammer ein Plasmaformungselement angeordnet, mit dem das für die Plasmabildung nutzbare Innenvolumen der Plasmakammer reduziert werden kann.The DE 10 2005 060 068 A1 relates to a microwave plasma source in which a plasma source is enclosed by a microwave resonator. In addition, a plasma shaping element is arranged in the plasma chamber, with which the usable for the plasma formation inner volume of the plasma chamber can be reduced.

In DE 43 27 958 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Recyceln von Kunststoff und/oder organisches Material enthaltendem Abfall beschrieben. Dazu wird der z. B. Abfall in einer Vakuumkammer durch Magnetrons mit Mikrowellenenergie beaufschlagt und Plasma aufgebaut. Unter Einwirkung des Plasmas wird Abfall reduziert und durch Wasserstoff hydriert.In DE 43 27 958 C1 are a method and an apparatus for recycling plastic and / or organic material-containing waste. For this purpose, the z. B. waste in a vacuum chamber by magnetrons with microwave energy applied and built up plasma. Under the influence of the plasma waste is reduced and hydrogenated by hydrogen.

Aus EP 0 449 081 A2 ist eine Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung bekannt, die einen rechteckigen Applikator mit Mikrowelleneinlässen, eine Glocke mit einem Ein- und Auslass für reaktives Gas aufweist. Reaktives Gas wird in die Glocke eingeleitet und damit ein Plasma generiert. Dabei ist mindestens eine Wand eines Applikators bewegbar, um die Plasmaintensität kontinuierlich zu verändern.Out EP 0 449 081 A2 For example, there is known a microwave plasma CVD apparatus having a rectangular applicator with microwave inlets, a bell with a reactive gas inlet and outlet. Reactive gas is introduced into the bell, generating a plasma. In this case, at least one wall of an applicator is movable in order to change the plasma intensity continuously.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für eine großflächige Modifizierung von Substratoberflächen mit einem bei Atmosphärendruckbedingungen gebildeten Plasma zu schaffen, bei denen konstante Bedingungen über die gesamte zu modifizierende Oberfläche eingehalten werden können.It is therefore an object of the invention to provide possibilities for a large-scale modification of substrate surfaces with a plasma formed at atmospheric pressure conditions in which constant conditions can be maintained over the entire surface to be modified.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Mikrowellenplasmaquelle gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Dabei kann mit einem Verfahren nach Anspruch 6 gearbeitet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this object is achieved with a microwave plasma source having the features of claim 1. It can be worked with a method according to claim 6. Advantageous embodiments and further developments can be achieved with features described in the subordinate claims.

Die erfindungsgemäße Mikrowellenplasmaquelle kann bei Atmosphärendruckbedingungen betrieben werden. Es ist also weder eine Erhöhung des Druckes und insbesondere keine Absenkung des Umgebungsdruckes erforderlich, wie dies bei den unter zumindest nahezu Vakuumbedingungen betriebenen Plasmaquellen der Fall ist.The microwave plasma source of the present invention can be operated at atmospheric pressure conditions. So it is neither an increase of the pressure and in particular no reduction of the ambient pressure required, as is the case under the at least nearly vacuum conditions operated plasma sources.

An der Mikrowellenplasmaquelle ist mindestens eine Zuführung für Plasmagas und mindestens eine Plasmaaustritssdüse vorhanden, die bevorzugt gemeinsam an einer Wand einer Plasmakammer angeordnet sind.At least one feed for plasma gas and at least one plasma discharge nozzle are provided at the microwave plasma source, which are preferably arranged together on a wall of a plasma chamber.

Abweichend vom Stand der Technik weist die Plasmakammer keinen rotataionsymmetrischen Querschnitt auf. Es sind bevorzugt parallele Wände als Begrenzung der Plasmakammer vorhanden. Zwei gegenüberliegend angeordnete Wände können auch konvex gekrümmt sein, so dass ein langgestreckter elliptischer Querschnitt vorhanden ist. An diesen Wänden können dann Einheiten mit Magnetrons und den Schlitzantennen angeordnet sein. Die beiden anderen Stirnwände können dabei aber als parallele Platten ausgebildet sein.Unlike the prior art, the plasma chamber does not have a rotationally symmetrical cross section. There are preferably parallel walls as a boundary of the plasma chamber available. Two oppositely disposed walls may also be convexly curved so as to have an elongated elliptical cross section. Units with magnetrons and the slot antennas can then be arranged on these walls. The two other end walls can be configured as parallel plates.

An der Plasmakammer sind mindestens zwei Einheiten vorhanden, die an zwei gegenüberliegenden Seiten der Plasmakammer, also sich diametral gegenüberliegend, angeordnet sind. Sie werden jeweils mit mindestens einem Magnetron und einer Schlitzantenne gebildet. Die Magnetrons werden dabei gepulst betrieben, wobei dies alternierend erfolgt. Es ist bei zwei vorhandenen Magnetrons eines ausgeschaltet, wenn zur gleichen Zeit, das andere eingeschaltet ist. Dadurch kann das durch Phasenverschiebung auftretende Problem einer Auslöschung von elektromagnetischen Wellen, das zu Energieverlusten führt, vermieden werden.At least two units are present on the plasma chamber, which are arranged on two opposite sides of the plasma chamber, ie diametrically opposite one another. They are each formed with at least one magnetron and a slot antenna. The magnetrons are operated pulsed, this being done alternately. It is off with two existing magnetrons one, if at the same time, the other is turned on. Thereby, the problem of extinction of electromagnetic waves due to phase shift, which leads to energy loss, can be avoided.

Der Betrieb kann dabei auch so durchgeführt werden, dass beim gepulsten Betrieb Pausen auftreten. So kann z. B. ein Magnetron für eine Zeit von 3 ms eingeschaltet und das andere Magnetron nach einer Pause von 2 ms, in der beide Magnetrone ausgeschaltet sind, für eine Zeit von wieder 3 ms eingeschaltet werden usw.The operation can also be carried out in such a way that breaks occur during pulsed operation. So z. B. a magnetron for a time of 3 ms and turned on the other magnetron after a pause of 2 ms, in which both magnetrons are turned off, for a time of 3 ms again, etc.

Wie bereits zum Ausdruck gebracht können aber auch mehr als zwei solcher Einheiten (Magnetron mit Schlitzantenne) an einer Mikrowellenplasmaquelle eingesetzt werden. Dann sind mehrere solcher Einheiten an der Plasmakammer in Reihenanordnung sich gegenüberliegend angeordnet. Bei vier Einheiten sind also jeweils zwei gemeinsam an einer Seite der Plasmakammer angeordent.As already stated, however, more than two such units (magnetron with slot antenna) can be used on a microwave plasma source. Then, a plurality of such units are arranged on the plasma chamber in series opposite each other. In the case of four units, two are thus arranged together on one side of the plasma chamber.

Die Plasmakammer weist bevorzugt einen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt auf. Sie ist dabei so dimensioniert, dass ein linear lang gestrecktes Plasma in der Plasmakammer ausgebildet werden kann, dessen Längsachse zwischen den sich gegenüberliegend angeordneten Einheiten bzw. den Magnetrons oder Schlitzantennen verläuft. Diese Querschnittsangaben beziehen sich zumindest auf die Breite und Länge einer Plasmakammer.The plasma chamber preferably has a rectangular or square cross-section. It is dimensioned so that a linearly elongated plasma can be formed in the plasma chamber, whose longitudinal axis extends between the oppositely arranged units or the magnetron or slot antennas. These cross-sectional data relate at least to the width and length of a plasma chamber.

Es kann eine Plasmaaustrittsdüse als Schlitzdüse vorhanden sein. Werden mehrere Plasmaaustrittsdüsen vorgesehen, sollten sie in einer Reihe angeordnet sein, die bevorzugt in der Ebene der Längsachse des in der Plasmakammer gebildeten Plasma oder dazu parallelen Ebenen liegen. Die Abstände von nebeneinander angeordneten Plasmaaustrittsdüsen sollten ebenso gleich sein, wie ihre freien Querschnitte aus denen das gebildete Plasma in Richtung zu modifizierender Substratoberfläche austreten kann. Sie sollten auch an der Wand der Plasmakammer angeordnet sein, von der aus des Gas zur Bildung des Plasma in die Plasmakammer eingeführt wird. Dieses Gas sollte dabei an der Wandung der Plasmakammer entlang einströmen und an der gegenüberliegenden Wand umgelenkt werden. Nach der Umlenkung gelangt es dann in den Einflussbereich der Strahlung und das Plasma kann dadurch gebildet werden. Mit einer solchen Strömung können die Wandung der Plasmakammer geschützt, günstige Verhältnisse für die Plasmabildung und dessen Austreiben aus der Plasmakammer eingehalten werden.There may be a plasma exit nozzle as a slot nozzle. If a plurality of plasma exit nozzles are provided, they should be arranged in a row, which are preferably in the plane of the longitudinal axis of the plasma formed in the plasma chamber or planes parallel thereto. The distances of plasma discharge nozzles arranged next to one another should be the same as their free cross sections from which the plasma formed can escape in the direction of the substrate surface to be modified. They should also be located on the wall of the plasma chamber from which the gas is introduced into the plasma chamber to form the plasma. This gas should flow along the wall of the plasma chamber along and be deflected on the opposite wall. After the deflection, it then enters the sphere of influence of the radiation and the plasma can be formed thereby. With such a flow, the wall of the plasma chamber can be protected, favorable conditions for plasma formation and its Exhaling from the plasma chamber are observed.

Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmaquelle sollte zumindest an den Wänden der Plasmakammer, an denen die Einheiten mit Magnetron und Schlitzantennen angeordnet sind, nach außen weisend hohle Resonanzräume vorhanden sind.In the microwave plasma source according to the invention should be at least on the walls of the plasma chamber on which the units are arranged with magnetron and slot antennas, outwardly facing hollow resonance chambers are present.

Die bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmaquelle eingesetzten Magnetrons sollten eine Leistung von mindestens 0,5 kW, bevorzugt mindestens 2 kW aufweisen. Durch den gepulsten Betrieb können sie aktiv mit einer höheren Leistung betrieben werden, die mindestens doppelt so groß ist. So kann ein Magnetron mit einer konzipierten Dauerleistung bzw. Nennleistung von 2 kW auch bei einem aktiven Puls beispielsweise mit einer Leistung von 5 kW betrieben werden.The magnetrons used in the microwave plasma source according to the invention should have a power of at least 0.5 kW, preferably at least 2 kW. Due to the pulsed operation they can be operated actively with a higher power, which is at least twice as large. Thus, a magnetron with a designed continuous power or nominal power of 2 kW can also be operated with an active pulse, for example with a power of 5 kW.

Die Pulsung der Magnetrons sollte mit einer Frequenz von mindestens 5 Hz gewählt sein.The pulsation of the magnetrons should be chosen with a frequency of at least 5 Hz.

Sind an einer Mikrowellenplasmaquelle auch mehr als zwei, bevorzugt mehr als vier Magnetrons vorhanden und diese in einem ausreichend großen Abstand zueinander angeordnet, können gleichzeitig auch mehrere Magnetrons eingeschaltet sein und aktiv betrieben werden. Diese können sich auch zeitlich überlappend betrieben werden, also während des gepulsten Betriebes mindestens zwei Magnetrons gleichzeitig so eingeschaltet sind, dass bei der Pulsung eine Phasenverschiebung auftritt und dabei Magnetron eingeschaltet wird, wenn ein anderes bereits eingeschaltet ist, das aber vor dem zweiten Magnetron wieder ausgeschaltet wird. Der Abstand sollte so groß sein, dass durch eine Phasenverschiebung eine zur Auslöschung führende Beeinflussung vermieden, zumindest jedoch klein gehalten werden kann. Dies kann insbesondere bei großvolumigen lang gestreckten Plasmen vorteilhaft sein.If more than two, preferably more than four, magnetrons are present at a microwave plasma source and these are arranged at a sufficiently large distance from one another, several magnetrons can also be switched on at the same time and operated actively. These can also be operated overlapping in time, so at least two magnetrons are simultaneously switched on during pulsed operation such that a phase shift occurs during the pulsing and magnetron is switched on when another is already switched on, but switched off again before the second magnetron becomes. The distance should be so large that a suppression leading to interference can be avoided by a phase shift, but at least kept small. This can be advantageous in particular in the case of large-volume, elongated plasmas.

Mit der Erfindung können Inhomogenitäten des Plasmas vermieden und gleichzeitig größere Flächen mit dem austretenden Plasma modifiziert werden. Dabei kann mit höherer Leistung von Magentrons gearbeitet werden.With the invention, inhomogeneities of the plasma can be avoided and at the same time larger areas can be modified with the exiting plasma. It can be used with higher performance of Magentrons.

Es können auch kostengünstige Magnetrons eingesetzt werden. Es ist eine Aufskalierung durch Aneinanderreihung mehrerer Einheiten von Magnetron mit Schlitzantenne in Reihenanordnungen möglich, so dass die Länge von in einer Plasmakammer gebildetem Plasma vergrößert und dadurch natürlich auch bei gleichzeitiger Relativbewegung von Mikrowellenplasmaquelle und zu modifizierendem Substrat die jeweilige Größe der Oberfläche vergrößert werden.It can also be used inexpensive magnetrons. Scaling is possible by arranging several units of magnetron with slot antenna in row arrangements, so that the length of plasma formed in a plasma chamber is increased and, of course, the respective size of the surface is thereby increased even with simultaneous relative movement of microwave plasma source and substrate to be modified.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Die Relativbewegung kann dabei insbesondere senkrecht zur Längsachse des in der Plasmakammer in lang gestreckter Form gebildeten Plasmas erfolgen.The invention will be explained in more detail by way of example in the following. In this case, the relative movement can take place in particular perpendicular to the longitudinal axis of the plasma formed in the plasma chamber in an elongate shape.

Dabei zeigen:Showing:

1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmaquelle und 1 a schematic plan view of an example of a microwave plasma source according to the invention and

2 einen Längsschnitt durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmaquelle. 2 a longitudinal section through an example of a microwave plasma source according to the invention.

In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmaquelle stark schematisiert dargestellt. Dabei ist eine Plasmakammer 7 mit rechteckigem Querschnitt vorhanden, deren Abmessungen mit (L·B·H) 600 mm·120 mm·100 mm gewählt worden sind. An zwei sich gegenüberliegenden Seiten einer Kavität 4, in der eine Plasmakammer 7 angeordnet ist (s. 2), sind jeweils drei Einheiten vorhanden, von denen jeweils lediglich die Magnetrons 5.1 bis 5.6 gezeigt sind. Diese werden mit einer Frequenz von 2,45 GHz betrieben. Die Dauerleistung der Magnetrons 5.1 bis 5.6 ist auf 2 kW ausgelegt. Sie können mit einer Frequenz von 10 Hz betrieben werden. Der gepulste Betrieb der Magnetrons 5.1 bis 5.6 erfolgt dabei so, dass ein Magnetron für eine Zeit von 3 ms eingeschaltet wird. Alle anderen sind während dieser Zeit inaktiv und ausgeschaltet. Nach einer inaktiven Pause von 2 ms in der alle Magnetrons 5.1 bis 5.6 ausgeschaltet sind, wird ein anderes Magnetron für die gleiche Zeit eingeschaltet und nach einer weiteren Pause von 2 ms wiederum ein anderes Magnetron eingeschaltet usw.In 1 an example of a microwave plasma source according to the invention is shown very schematically. There is a plasma chamber 7 having a rectangular cross section whose dimensions have been selected to be (L x W x H) 600 mm x 120 mm x 100 mm. On two opposite sides of a cavity 4 in which a plasma chamber 7 is arranged (s. 2 ), there are three units each, of which only the magnetrons 5.1 to 5.6 are shown. These are operated at a frequency of 2.45 GHz. The continuous power of the magnetrons 5.1 to 5.6 is designed for 2 kW. They can be operated with a frequency of 10 Hz. The pulsed operation of magnetrons 5.1 to 5.6 takes place in such a way that a magnetron is switched on for a time of 3 ms. All others are inactive and off during this time. After an inactive break of 2 ms in the all magnetrons 5.1 to 5.6 are turned off, another magnetron is turned on for the same time and after another pause of 2 ms turn another magnetron turned on, etc.

Die Magnetrons 5.1 bis 5.6 können, da sie gepulst und dabei kurzzeitig aktiv geschaltet werden auch mit einer Leistung von 10 kW, also deutlich über der Nennleistung betrieben werden.The magnetrons 5.1 to 5.6 As they are pulsed and activated for a short time, they can also be operated with a power of 10 kW, ie well above the rated power.

So kann z. B. zuerst das Magnetron 5.2, dann das Magnetron 5.4, dann Magnetron 5.3, danach Magnetron 5.5, dann Magnetron 5.1 und in diesem Zyklus am Schluss Magnetron 5.6 eingeschaltet werden.So z. First, the magnetron 5.2 , then the magnetron 5.4 , then magnetron 5.3 , then magnetron 5.5 , then magnetron 5.1 and in this cycle, at the end, magnetron 5.6 be turned on.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochen mehrere Magnetrons synchron zu betreiben, so dass gleichzeitig auch zwei Magnetrons, beispielsweise 5.1 mit 5.6 und 5.4 mit 5.3 eingeschaltet sind.But it is also possible, as already mentioned in the general part of the description to operate several magnetrons synchronously, so that at the same time two magnetrons, for example 5.1 With 5.6 and 5.4 With 5.3 are turned on.

Mit der in 2 gezeigten Schnittdarstellung kann der Aufbau erfindungsgemäßer Mikrowellenplasmaquellen weiter verdeutlicht werden.With the in 2 The sectional view shown, the structure of inventive microwave plasma sources can be further illustrated.

Auch hier sind wieder an zwei gegenüberliegenden Seiten einer Plasmakammer 7, die in einer Kavität 4 angeordnet ist, Magnetrons 5 angeordnet, die wie beim Beispiel nach 1 betrieben werden können. Die Plasmakammer 7 hat ebenfalls eine Querschnittsgeometrie analog zu 1. An den äußeren Seiten der Plasmakammer 7 sind jeweils hohle Räume angeordnet, zwischen der Wand der Kavität 4 und Quarzglaswänden 3 ausgebildet, durch die ein Kühlmittel, das die Strahlung nur geringfügig absorbiert, geführt werden kann. Die Plasmakammer 7 ist mit den Quarzglaswänden 3 von der Kavität 4 getrennt. Die Kavität 4 ist bei diesem Beispiel als Aluminiumgehäuse ausgebildet.Again, there are again on two opposite sides of a plasma chamber 7 in a cavity 4 is arranged, magnetrons 5 arranged according to the example 1 can be operated. The plasma chamber 7 also has a cross-sectional geometry analogous to 1 , On the outer sides of the plasma chamber 7 each hollow spaces are arranged between the wall of the cavity 4 and quartz glass walls 3 formed, through which a coolant that absorbs the radiation only slightly, can be performed. The plasma chamber 7 is with the quartz glass walls 3 from the cavity 4 separated. The cavity 4 is formed in this example as aluminum housing.

An der hier oberen Stirnwand der Plasmakammer 7 sind in der Nähe der radial außen angeordneten Quarzglaswand 3 Zuführungen 2 für ein Plasmagas vorhanden, das wie mit den Pfeilen angedeutet, in das Innere der Plasmakammer 7 eingespeist werden kann. Es strömt dabei von der oberen Stirnwand an den Quarzglaswänden 3 entlang bis zum Boden 8 der Plasmakammer 7. Dort ändert sich die Strömungsrichtung und das Plasmagas gelangt in den Einflussbereich der von den Magnetrons 5 mit Hilfe der Schlitzantennen in die Plasmakammer 7 emittierte Strahlung und Plasma kann gebildet werden.At the upper end wall of the plasma chamber 7 are in the vicinity of the radially outer quartz glass wall 3 additions 2 for a plasma gas, as indicated by the arrows, into the interior of the plasma chamber 7 can be fed. It flows from the upper end wall on the quartz glass walls 3 along to the bottom 8th the plasma chamber 7 , There, the flow direction changes and the plasma gas enters the sphere of influence of the magnetrons 5 using the slot antennas in the plasma chamber 7 emitted radiation and plasma can be formed.

Dieses Plasma kann über die hier wieder an der oberen Stirnwand angeordneten Plasmaaustrittsdüsen 1 ausgetrieben und für eine Oberflächenmodifizierung an Substraten unter Atmosphärendruckbedingungen genutzt werden.This plasma can via the arranged here on the upper end wall plasma discharge nozzles 1 expelled and used for surface modification on substrates under atmospheric pressure conditions.

Die Plasmaustrittsdüsen 1 können als Schlitzdüsen oder in einer Reihenanordnung ausgebildet bzw. so angeordnet sein. Die Ausrichtung von Schlitzdüsen bzw. einer Reihenanordnung sollte dabei so sein, dass sie einer senkrecht in die Zeichnungsebene gerichteten Richtung entspricht. Gemäß der Darstellung in 1 wäre dies dort eine horizontale Ausrichtung zwischen den in zwei Reihen angeordneten Magnetrons 5.1 bis 5.6.The plasma exit nozzles 1 can be designed as slot nozzles or in a row arrangement or so arranged. The orientation of slot nozzles or a row arrangement should be such that it corresponds to a direction perpendicular to the plane of the drawing. As shown in 1 this would be a horizontal alignment between the magnetrons arranged in two rows 5.1 to 5.6 ,

Dadurch kann ein linear und gleichzeitig lang gestrecktes Plasma ausgebildet werden, das nahezu über die gesamte Länge der Plasmakammer 7 geführt sein kann. Seine Länge kann also gemäß Beispiel nach 1 fast 600 mm erreichen. Mit einer bereits angesprochenen Aufskalierung und einer größeren Anzahl an Magnetrons können auch größere Plasmalängen in einer entsprechend langen Plasmakammer 7 erreicht werden.As a result, a linear and at the same time elongated plasma can be formed, which is almost over the entire length of the plasma chamber 7 can be guided. Its length can therefore according to example 1 reach almost 600 mm. With an already mentioned scaling up and a larger number of magnetrons, even larger plasma lengths can be achieved in a correspondingly long plasma chamber 7 be achieved.

Claims

A microwave plasma source in which at least one plasma exit nozzle and at least one supply for a plasma gas are present on a plasma chamber and the plasma is formed at atmospheric pressure conditions , characterized in that on the plasma chamber ( 7 ) with non-rotationally symmetrical cross section at least two units, each with at least one magnetron ( 5.1 to 5.6 ) and a slot antenna are formed, outside the plasma chamber ( 7 ) are arranged on two diametrically opposite sides and the magnetrons ( 5.1 to 5.6 ) are pulsed alternately operable.

Microwave plasma source according to claim 1, characterized in that on the two opposite sides of the plasma chamber ( 7 ) at least two magnetrons ( 5.1 to 5.4 ) are provided with slot antenna in a series arrangement.

Microwave plasma source according to claim 1 or 2, characterized in that the plasma chamber ( 7 ) has a rectangular, square or elongated elliptical cross-section.

Microwave plasma source according to one of the preceding claims, characterized in that the one or more plasma discharge nozzle (s) ( 1 ) and the supply for plasma gas ( 2 ) on the same wall of the plasma chamber ( 7 ) are arranged.

Microwave plasma source according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetrons ( 5.1 to 5.6 ) have a power of at least 0.5 kW.

Process for forming a linearly elongated plasma under atmospheric pressure conditions in a plasma chamber ( 7 ) with non-rotationally symmetrical cross-section, in which a plasma gas via at least one feed ( 2 ) into the plasma chamber ( 7 ) and formed plasma via at least one plasma exit nozzle ( 1 ) is extracted; and the plasma with at least two units, each with a magnetron ( 5.1 to 5.6 ) and a slot antenna formed and diametrically opposite to the plasma chamber ( 7 ) is formed, while the magnetron ( 5.1 to 5.6 ) are operated pulsed alternately.

Method according to claim 6, characterized in that the magnetrons ( 5.1 to 5.6 ) are pulsed at a frequency of at least 5 Hz.

Method according to claim 6 or 7, characterized in that the magnetrons ( 5.1 to 5.6 ) are pulsed so that all magnetrons ( 5.1 to 5.6 ) are temporarily switched off between active pulses.

Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that at least four existing magnetrons ( 5.1 to 5.6 ) at least two magnetrons not arranged directly next to one another or opposite one another are operated synchronously or overlappingly pulsed.

Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that the magnetrons ( 5.1 to 5.6 ) are operated during an active pulse with a power that is at least twice as large as their normal operating performance.