DE102013215252A1 - Apparatus and method for treating process gases in a plasma excited by high frequency electromagnetic waves - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Prozessgasen in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma, umfassend eine Plasmakammer, die mit einem Dielektrikum ausgekleidet ist, einen Generator zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen und eine Hohlleiteranordnung zur Zuführung der elektromagnetischen Wellen in die Plasmakammer, wobei die Hohlleiteranordnung wenigstens zwei, jeweils eine E-Feld-Hohlleiterverzweigung aufweisende Einspeisungsstellen zur Einspeisung der elektromagnetischen Wellen als fortlaufende Wellen in das Dielektrikum aufweist.The invention relates to a device for the treatment of process gases in an excited by electromagnetic waves plasma comprising a plasma chamber, which is lined with a dielectric, a generator for generating the electromagnetic waves and a waveguide arrangement for supplying the electromagnetic waves in the plasma chamber, wherein the waveguide assembly has at least two, each having an E-field waveguide branching feed points for feeding the electromagnetic waves as continuous waves in the dielectric.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Prozessgasen in einem Plasma angeregt durch insbesondere hochfrequente elektromagnetische Wellen umfassend eine Plasmakammer, einen Generator zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen und eine Hohlleiteranordnung zur Zuführung der elektromagnetischen Wellen in die Plasmakammer. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Prozessgasen in einem Plasma, bei dem elektromagnetische Wellen erzeugt und einer Plasmakammer zugeführt werden. The present invention relates to a device for the treatment of process gases in a plasma excited by in particular high-frequency electromagnetic waves comprising a plasma chamber, a generator for generating the electromagnetic waves and a waveguide arrangement for supplying the electromagnetic waves in the plasma chamber. Furthermore, the invention relates to a method for the treatment of process gases in a plasma, are generated in the electromagnetic waves and fed to a plasma chamber.

Plasmavorrichtungen sind seit Jahrzehnten als Stand der Technik bekannt und werden als externe Plasmaquellen zum isotropen Ätzen von unterschiedlichen Schichten auf Halbleitersubstraten sowie zum Entfernen geschädigter Siliziumschichten auf der Rückseite des Halbleitersubstrats nach einem mechanischen Dünnschleifen der Siliziumsubstrate verwendet. Ferner werden externe Plasmaquellen zum Reinigen von Prozesskammern für Beschichtungsprozesse von so genannten chemischen Gasphasenabscheideprozessen mit und ohne Plasmaunterstützung verwendet. Weiter werden sie zur Konditionierung von Oberflächen von Kunststoffen und anderen Materialien durch angeregten Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff verwendet. Ein weiteres Anwendungsfeld ist das Zerlegen von grob umweltschädlichen Treibhausgasen wie Kohlenstofftetrafluorid, Schwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid etc., die im Zuge der Herstellung von integrierten Schaltkreisen als Prozessgase verwendet werden und bei den einzelnen Prozessschritten nur teilweise verbraucht werden. Diese unverbrauchten Prozessgase werden entweder in Niederdruckplasmavorrichtungen zerlegt, welche in die Vakuumpumpleitungen der Ätzanlagen integriert sind, oder in Atmosphärendruckplasmavorrichtungen aufgespalten, die der Vakuumpumpe nachgeschaltet sind. Die aufgespalteten Prozessgase werden anschließend standardgemäß in Gaswäschern beziehungsweise Gasabsorbern entsorgt. Plasma devices have been known in the art for decades and are used as external plasma sources for isotropically etching different layers on semiconductor substrates and removing damaged silicon layers on the back side of the semiconductor substrate after mechanical thin grinding of the silicon substrates. Furthermore, external plasma sources are used for cleaning process chambers for coating processes of so-called chemical vapor deposition processes with and without plasma assistance. Further, they are used for conditioning surfaces of plastics and other materials by excited oxygen, nitrogen or hydrogen. Another field of application is the decomposition of grossly polluting greenhouse gases such as carbon tetrafluoride, sulfur hexafluoride and nitrogen trifluoride, etc., which are used in the course of the production of integrated circuits as process gases and are only partially consumed in the individual process steps. These unconsumed process gases are either decomposed into low pressure plasma devices that are integrated into the vacuum pumping lines of the etchers, or split into atmospheric pressure plasma devices that are downstream of the vacuum pump. The split process gases are then disposed of by default in gas scrubbers or gas absorbers.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Prozessgasen in einem Plasma bereitzustellen, das durch seine Konstruktionsmerkmale und Verfahrensschritte geeignet ist, auch bei höheren Leistungen der elektromagnetischen Wellen die zugeführte Energie möglichst gleichmäßig über die Gasentladungskammer zu verteilen. The object of the invention is to provide a device and a method for the treatment of process gases in a plasma, which is suitable by its design features and method steps, even at higher powers of the electromagnetic waves to distribute the supplied energy as evenly as possible over the gas discharge chamber.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Behandlung von Prozessgasen in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung umfasst eine Plasmakammer, die mit einem Dielektrikum ausgekleidet ist, einen Generator zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen und eine Hohlleiteranordnung zur Zuführung der elektromagnetischen Wellen in die Plasmakammer, wobei die Hohlleiteranordnung wenigstens zwei Einspeisungsstellen aufweist, die jeweils eine E-Feld-Hohlleiterverzweigung aufweisen, um die elektromagnetischen Wellen als fortlaufende Wellen in das Dielektrikum einzuspeisen. This object is achieved by a device for the treatment of process gases in a plasma excited by electromagnetic waves having the features of claim 1. The device comprises a plasma chamber lined with a dielectric, a generator for generating the electromagnetic waves and a waveguide arrangement for feeding the electromagnetic waves into the plasma chamber, the waveguide arrangement having at least two feed points, each having an E-field waveguide branch, to feed the electromagnetic waves as continuous waves in the dielectric.

Eine mehrseitige Einspeisung der elektromagnetischen Wellen ist gegenüber einer einseitigen Einspeisung vorteilhaft, da sich dadurch über den gesamten Umfang der Plasmakammer eine vergleichsweise gleichmäßige Plasmadichte ausbilden kann. Das Dielektrikum, insbesondere ein Hohlzylinder, insbesondere ein Keramikhohlzylinder, das bzw. der die Innenflächen eines Plasmakammergehäuses bedeckt, wird daher gleichmäßig thermisch belastet. Hierdurch kann ein großes Prozessfenster hinsichtlich der Parameter Gasdurchfluss, Prozessdruck und eingespeiste Mikrowellenleistung gewährleistet werden. A multi-sided feeding of the electromagnetic waves is advantageous over a one-sided feed, as this can form a comparatively uniform plasma density over the entire circumference of the plasma chamber. The dielectric, in particular a hollow cylinder, in particular a hollow ceramic cylinder, which covers the inner surfaces of a plasma chamber housing, is therefore uniformly thermally stressed. As a result, a large process window with regard to the parameters gas flow, process pressure and fed microwave power can be ensured.

Der vorgenannten Vorteil wird in besonderem Maße erreicht, wenn die Einspeisungsstellen gleichverteilt um die Plasmakammer bzw. das Dielektrikum herum angeordnet sind. Bei zwei Einspeisungsquellen sind diese dann bevorzugt auf einander gegenüberliegenden Seiten der Plasmakammer angeordnet. Bei einer geradzahligen Anzahl an Einspeisungsquellen sind bevorzugt jeweils zwei Einspeisungsquellen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Plasmakammer angeordnet. Grundsätzlich ist aber auch eine ungeradzahlige Anzahl an Einspeisungsquellen möglich. Eine Gleichverteilung liegt auch dann vor, wenn die Einspeisungsquellen im Wesentlichen gleichverteilt um die Plasmakammer herum angeordnet sind. The aforementioned advantage is achieved to a particular extent if the feed points are arranged distributed uniformly around the plasma chamber or the dielectric. With two feed sources, these are then preferably arranged on opposite sides of the plasma chamber. In the case of an even number of feed sources, two feed sources are preferably arranged on opposite sides of the plasma chamber. In principle, however, an odd number of supply sources is possible. An even distribution is also present when the feed sources are arranged substantially uniformly distributed around the plasma chamber.

Vorzugsweise ist die Hohlleiteranordnung derart ausgebildet ist, dass sich von verschiedenen, insbesondere allen Einspeisungsstellen eingespeiste elektromagnetische Wellen insbesondere im Zentrum der Plasmakammer konstruktiv kohärent überlagern. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass die von den Einspeisungsstellen eingespeisten elektromagnetische Wellen von einem einzigen bzw. gemeinsamen Generator erzeugt werden. Preferably, the waveguide arrangement is designed such that superimpose constructively coherent from various, in particular all feed points fed electromagnetic waves, in particular in the center of the plasma chamber. Alternatively and / or additionally, the device may be designed such that the electromagnetic waves fed by the feed points are generated by a single or common generator.

Insbesondere hierfür kann die Hohlleiteranordnung wenigstens eine Hohlleiterverzweigung aufweisen, um die elektromagnetischen Wellen mehreren Einspeisungsstellen zuzuführen, wobei die Längen der jeweiligen Abschnitte der Hohlleiteranordnung von der jeweiligen Hohlleiterverzweigung zu den jeweiligen Einspeisungsstellen gleich oder um ein Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen voneinander verschieden sind. In particular, for this purpose, the waveguide arrangement may comprise at least one waveguide branch to supply the electromagnetic waves to multiple feed points, wherein the lengths of the respective sections of the waveguide array from the respective waveguide branch to the respective feed points are equal to or different from each other by a multiple of half the wavelength of the electromagnetic waves.

Um dem Dielektrikum die Energie der elektromagnetischen Wellen möglichst vollständig zuzuführen, ist es bevorzugt, wenn die jeweilige Einspeisungsstelle ein Oszillatorelement aufweist, das zusammen mit der jeweiligen E-Feld-Hohlleiterverzweigung einen Oszillator bildet. In order to supply the energy of the electromagnetic waves as completely as possible to the dielectric, it is preferred if the respective feed point has an oscillator element which forms an oscillator together with the respective E-field waveguide branching.

Gemäß einer Ausbildung der Erfindung ist der Innenquerschnitt des jeweiligen Abschnitts der Hohlleiteranordnung, mit dem die Hohlleiteranordnung an dem Dielektrikum anliegt, von dem Dielektrikum vollständig abgedeckt. Hierdurch kann ebenfalls eine vollständige Zuführung der Energie der elektromagnetischen Wellen an das Dielektrikum gewährleistet werden. Dieser Aspekt wird auch unabhängig von den wenigstens zwei Einspeisungsstellen beansprucht. Die Erfindung betrifft daher auch eine Vorrichtung zur Behandlung von Prozessgasen in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma, umfassend eine Plasmakammer, die mit einem Dielektrikum ausgekleidet ist, einen Generator zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen und eine Hohlleiteranordnung zur Zuführung der elektromagnetischen Wellen in die Plasmakammer, wobei der Innenquerschnitt des jeweiligen Abschnitts der Hohlleiteranordnung, mit dem die Hohlleiteranordnung an dem Dielektrikum anliegt, von dem Dielektrikum vollständig abgedeckt wird. According to one embodiment of the invention, the inner cross section of the respective section of the waveguide arrangement, with which the waveguide arrangement rests against the dielectric, is completely covered by the dielectric. In this way, a complete supply of the energy of the electromagnetic waves to the dielectric can also be ensured. This aspect is also claimed independently of the at least two feed points. The invention therefore also relates to a device for treating process gases in an electromagnetic wave excited plasma, comprising a plasma chamber lined with a dielectric, a generator for generating the electromagnetic waves and a waveguide arrangement for feeding the electromagnetic waves into the plasma chamber the inner cross section of the respective section of the waveguide arrangement, with which the waveguide arrangement bears against the dielectric, is completely covered by the dielectric.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist eine Zündeinrichtung zur Zündung eines Plasmas in der Plasmakammer vorgesehen, wobei die Zündeinrichtung ein Zündelement mit wenigstens einem länglichen Zündabschnitt umfasst. Mit einer derartigen Zündeinrichtung kann eine Zündung des Plasmas auch bei geringen Leistungen der eingespeisten elektromagnetischen Welle erreicht werden. According to a further embodiment of the invention, an ignition device for igniting a plasma is provided in the plasma chamber, wherein the ignition device comprises an ignition element with at least one elongated ignition section. With such an ignition device ignition of the plasma can be achieved even at low power of the injected electromagnetic wave.

Dabei kann die Zündeinrichtung, insbesondere das Zündelement, derart ausgebildet sein, dass die Längsachse des oder wenigstens eines Zündabschnitts unter einem Winkel von höchstens 45°, insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel, zu der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen an zumindest einer Einspeisungsstelle orientiert ist. In this case, the ignition device, in particular the ignition element, be designed such that the longitudinal axis of the or at least one ignition section is oriented at an angle of at most 45 °, in particular at least substantially parallel to the propagation direction of the electromagnetic waves at least one feed point.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Prozessgasen in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma, bei dem die elektromagnetische Wellen erzeugt und einer mit einem Dielektrikum ausgekleideten Plasmakammer derart zugeführt werden, dass die elektromagnetischen Wellen an wenigstens zwei, jeweils eine E-Feld-Hohlleiterverzweigung aufweisende Einspeisungsstellen als fortlaufende Wellen in das Dielektrikum eingespeist werden. Furthermore, the invention relates to a method for the treatment of process gases in an excited by electromagnetic waves plasma, wherein the electromagnetic waves generated and supplied to a dielectric lined plasma chamber such that the electromagnetic waves to at least two, each an E-field waveguide branch feeding points are fed as continuous waves in the dielectric.

Fortbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich in analoger Weise aus den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Further developments of the method according to the invention result in an analogous manner from the developments of the device according to the invention.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren kommen elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, insbesondere mit den gebräuchlichen und von Amts wegen zugelassenen Frequenzen von 2,45 GHz, 5,8 GHz und 915MHz, zum Einsatz. Electromagnetic waves, in particular microwaves, in particular with the customary and ex officio approved frequencies of 2.45 GHz, 5.8 GHz and 915 MHz, are used in the device and the method according to the invention.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung beschrieben. Advantageous embodiments of the invention are also described in the subclaims, the description of the figures and the drawing.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen, The invention will now be described by way of example with reference to the drawings. Show it,

1 eine schematische Darstellung einer Plasmavorrichtung, 1 a schematic representation of a plasma device,

2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung, 2 a schematic representation of a plasma device according to the invention,

3 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung, 3 a schematic representation of another plasma device according to the invention,

4 eine erfindungsgemäße Atmosphärendruckplasmavorrichtung im Querschnitt, 4 an atmospheric pressure plasma apparatus according to the invention in cross-section,

5 die Atmosphärendruckplasmavorrichtung aus 4 im Längsschnitt, 5 the atmospheric pressure plasma device 4 in longitudinal section,

6 eine erfindungsgemäße Niederdruckplasmavorrichtung im Querschnitt, 6 a low-pressure plasma apparatus according to the invention in cross-section,

7 die Niederdruckplasmavorrichtung aus 6 im Längsschnitt, 7 the low-pressure plasma device off 6 in longitudinal section,

8 eine Zündvorrichtung für die Atmosphärendruckplasmavorrichtung aus 4, und 8th an ignition device for the atmospheric pressure plasma device 4 , and

9 eine weitere Zündvorrichtung für die Atmosphärendruckplasmavorrichtung aus 4. 9 another ignition device for the atmospheric pressure plasma device 4 ,

Die elektromagnetischen Wellen werden entsprechend 1 bis 3 in einem Mikrowellengenerator 11 erzeugt und mittels eines Hohlleiters 12 über eine Abstimmvorrichtung 13 zu einem Plasmakammergehäuse 14 geleitet, in das ein Keramikzylinder 16 oder ein Rohr bzw. ein Röhrchen eingesetzt ist. Im Einzelnen werden dabei die elektromagnetischen Wellen direkt zum Plasmakammergehäuse 14 geleitet (1) oder an einer insbesondere ersten Hohlleiterverzweigung 15a paarweise aufgeteilt und – falls gewünscht – an zwei weiteren Hohlleiterverzweigungen 15b nochmals verzweigt und zum Plasmakammergehäuse 14 geführt und dort dann zum Keramikzylinder 16 geleitet, wo sie sich durch E-Feld-Hohlleiterverzweigungen 18 als laufende Wellen in der Keramik ausbreiten können (2 und 3). Die Begrenzungen der elektromagnetischen Wellen in der Keramik bilden dabei einerseits die inneren Oberflächen des Plasmakammergehäuses 14 aus Metall und andererseits eine Schicht aus hoher Elektronenkonzentration im Plasma, die sich nahe der inneren Oberfläche des Keramikzylinders 16 ausbildet. The electromagnetic waves become corresponding 1 to 3 in a microwave generator 11 generated and by means of a waveguide 12 via a tuning device 13 to a plasma chamber housing 14 passed into which a ceramic cylinder 16 or a tube or a tube is inserted. Specifically, the electromagnetic waves are directly to the plasma chamber housing 14 directed ( 1 ) or on a particular first waveguide branch 15a split in pairs and - if desired - on two other waveguide branches 15b branched again and to the plasma chamber housing 14 led and then to the ceramic cylinder 16 where they can be identified by E-field Waveguide branches 18 can propagate as running waves in the ceramic ( 2 and 3 ). The boundaries of the electromagnetic waves in the ceramic form on the one hand the inner surfaces of the plasma chamber housing 14 made of metal and on the other hand, a layer of high electron concentration in the plasma, which is located near the inner surface of the ceramic cylinder 16 formed.

In 4 und 5 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, das vorwiegend unter Atmosphärendruck angewendet wird, wobei die elektromagnetische Welle in der vorliegenden Vorrichtung von beiden Seiten der Plasmakammer 25 zugeführt wird. Die elektromagnetische Welle kann grundsätzlich aber auch nur von einer Seite der Plasmakammer 25 zugeführt werden und die gegenüberliegende Öffnung zur Zuführung der Mikrowelle ist in diesem Fall geschlossen oder bereits überhaupt nicht vorhanden. Die elektromagnetischen Wellen in 4 und 5 werden mittels Rechteckhohlleiter 12 im H10 Mode der Plasmakammer 25 zugeführt und im Keramikzylinder 16 durch Einspeisungsstellen in Form von E-Feld-Hohlleiterverzweigungen 18 an beiden Seiten des Keramikzylinders 16 jeweils in zwei gleiche Komponenten aufgespalten, die sich dort in einander entgegengesetzter und jeweils axialer Richtung, d.h. entlang der Längsachse des Keramikzylinders 16, als fortlaufende Wellen auszubreiten. Wird in der Plasmakammer 25 das Plasma durch eine Vorrichtung 37 wie in 8 bzw. 9 dargestellt gezündet, dann kann sich ein koaxialer TM Mode 19 der elektromagnetischen Welle ausbilden, wobei der koaxiale Außenleiter durch die innere Oberfläche 29 des Plasmakammergehäuses 14 gebildet wird, und der koaxiale Innenleiter durch die kegelstumpfförmige Plasmawolke 25. Eine doppelseitige Einspeisung mittels konstruktiver kohärenter Wellen 17 ist gegenüber einer einseitigen Einspeisung der Mikrowelle vorteilhaft, da dadurch sich bereits an der Einspeisungsebene ein perfekter koaxialer TM Mode 19 ausbildet, der das Plasma über ein sehr großes Prozessfenster hinsichtlich Gasdurchfluss und eingespeister Mikrowellenleistung gut stabilisiert. Zur Illustration der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter 12, in der E-Feld-Hohlleiterverzweigung 18 und im Keramikzylinder 16 ist das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle schematisch durch die Vektoren 27 dargestellt. Wie sich aus den 4 und 5 ergibt, wird der Innenquerschnitt der Rechteckhohlleiter 12 an den Einspeisungsstellen von dem Keramikzylinder 16 vollständig abgedeckt. In 4 and 5 a first apparatus according to the invention and a method is described, which is mainly applied under atmospheric pressure, wherein the electromagnetic wave in the present device from both sides of the plasma chamber 25 is supplied. The electromagnetic wave can in principle but only from one side of the plasma chamber 25 be supplied and the opposite opening for feeding the microwave is closed in this case or even not available. The electromagnetic waves in 4 and 5 be by means of rectangular waveguide 12 in the H 10 mode of the plasma chamber 25 fed and in the ceramic cylinder 16 by feeding points in the form of E-field waveguide branches 18 on both sides of the ceramic cylinder 16 each split into two equal components, which there in opposite and respective axial direction, ie along the longitudinal axis of the ceramic cylinder 16 to spread as continuous waves. Will be in the plasma chamber 25 the plasma through a device 37 as in 8th respectively. 9 ignited shown, then a coaxial TM mode can 19 form the electromagnetic wave, wherein the coaxial outer conductor through the inner surface 29 of the plasma chamber housing 14 is formed, and the coaxial inner conductor through the frustoconical plasma cloud 25 , A double-sided feed by means of constructive coherent waves 17 is advantageous over a one-sided feed of the microwave, since this already at the feed level a perfect coaxial TM mode 19 which stabilizes the plasma well over a very large process window in terms of gas flow and fed microwave power. To illustrate the propagation of electromagnetic waves in the waveguide 12 in the E-field waveguide junction 18 and in the ceramic cylinder 16 the electric field of the electromagnetic wave is schematically represented by the vectors 27 shown. As is clear from the 4 and 5 results, the inner cross section of the rectangular waveguide 12 at the feed points of the ceramic cylinder 16 completely covered.

Zum Betrieb der Vorrichtung ist auch die Verwendung eines Oszillatorstiftes 28 vorteilhaft, wobei jeweils ein Oszillator gebildet wird, der aus einer E-Feld-Hohlleiterverzweigung 18 im Keramikzylinder 16 und dem benachbarten Oszillatorstift 28 besteht. Die Position, die Höhe und der Querschnitt des Oszillatorstiftes 28 sind so gewählt, dass die eintretende Welle nahezu vollständig über die E-Feld-Hohlleiterverzweigung 18 in den Keramikzylinder 16 eingespeist wird. Der Querschnitt des Oszillatorstiftes 28 kann rund, elliptisch oder rechteckig sein, aber auch eine andere Form aufweisen. Eine restliche Abstimmung der Plasmavorrichtungen in 1 bis 3 erfolgt über die Abstimmvorrichtungen 13. The operation of the device is also the use of an oscillator pin 28 advantageous, wherein in each case an oscillator is formed, which consists of an E-field waveguide branch 18 in the ceramic cylinder 16 and the adjacent oscillator pin 28 consists. The position, height and cross section of the oscillator pin 28 are chosen so that the incoming wave almost completely via the E-field waveguide junction 18 in the ceramic cylinder 16 is fed. The cross section of the oscillator pin 28 can be round, elliptical or rectangular, but also have a different shape. A remaining vote of the plasma devices in 1 to 3 via the tuning devices 13 ,

Das Prozessgas wird durch insbesondere zwei Gaseinlässe 21 tangential zum Keramikzylinder 16 in die Plasmakammer 25 eingelassen, um dort eine rotierende Strömung in Richtung Gasauslass 24 zu erzeugen. Das Plasma wird durch eine Zündeinrichtung 37, im Detail 37a, bzw. 37b (8 und 9) gezündet und breitet sich kegelstumpfförmig über die gesamte Länge des Keramikzylinders 16 bis zu einem Reaktorzylinder 34 aus, der aus einer hitzebeständigen Metalllegierung besteht. The process gas is through in particular two gas inlets 21 tangential to the ceramic cylinder 16 into the plasma chamber 25 let in, there is a rotating flow towards the gas outlet 24 to create. The plasma is ignited by an ignition device 37 , in detail 37a , respectively. 37b ( 8th and 9 ) ignites and spreads frustoconically over the entire length of the ceramic cylinder 16 up to a reactor cylinder 34 made of a heat-resistant metal alloy.

In 6 und 7 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, das vorwiegend im Niederdruckbereich angewendet wird, wobei die elektromagnetische Welle in der vorliegenden Vorrichtung von beiden Seiten der Plasmakammer 25 zugeführt wird, wobei in diesem Fall das elektrische Feld der Welle senkrecht zur Achse des Keramikzylinders 16 steht. Die elektromagnetische Welle kann grundsätzlich aber auch nur von einer Seite der Plasmakammer 25 zugeführt werden und die gegenüberliegende Öffnung zur Zuführung der Mikrowelle ist in diesem Fall geschlossen oder bereits überhaupt nicht vorhanden. Die elektromagnetischen Wellen in 6 und 7 werden mittels Rechteckhohlleiter 12 im H10 Mode der Plasmakammer 25 zugeführt und im Keramikzylinder 16 durch Einspeisungsstellen in Form von E-Feld-Hohlleiterverzweigungen 18 an beiden Seiten des Keramikzylinders 16 jeweils in zwei gleiche Komponenten aufgespalten, die sich dort in einander entgegengesetzter und jeweils tangentialer Richtung, .d.h. in Umfangsrichtung des Keramikzylinders 16, als fortlaufende Wellen auszubreiten. Wird in der Plasmakammer 25 das Plasma gezündet, dann kann sich ein H-Mode der elektromagnetischen Welle ausbilden, wobei eine Hohleiteroberfläche durch die innere Oberfläche 29 des Plasmakammergehäuses 14 gebildet wird, und die gegenüberliegende Oberfläche durch die hohe Plasmadichte 35 nahe der Keramikoberfläche in der Plasmakammer 25. Eine doppelseitige Einspeisung mittels konstruktiver kohärenter Wellen 17 ist gegenüber einer einseitigen Einspeisung der Mikrowelle vorteilhaft, da dadurch über den gesamten Umfang des Keramikzylinders 16 eine gleichmäßige Plasmadichte sich ausbildet, die eine gleichmäßige thermische Belastung des Keramikzylinders 16 zur Folge hat und dadurch ein sehr großes Prozessfenster hinsichtlich Gasdurchfluss, Prozessdruck und eingespeister Mikrowellenleistung erlaubt. Zur Illustration der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter 12, in der E-Feld-Hohlleiterverzweigung 18 und im Keramikzylinder 16 ist das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle schematisch durch die Vektoren 27 dargestellt. Wie sich aus den 6 und 7 ergibt, wird der Innenquerschnitt der Rechteckhohlleiter 12 an den Einspeisungsstellen von dem Keramikzylinder 16 vollständig abgedeckt. In 6 and 7 There is described another apparatus according to the invention and a method which is mainly applied in the low pressure area, wherein the electromagnetic wave in the present apparatus is from both sides of the plasma chamber 25 in which case the electric field of the shaft is perpendicular to the axis of the ceramic cylinder 16 stands. The electromagnetic wave can in principle but only from one side of the plasma chamber 25 be supplied and the opposite opening for feeding the microwave is closed in this case or even not available. The electromagnetic waves in 6 and 7 be by means of rectangular waveguide 12 in the H 10 mode of the plasma chamber 25 fed and in the ceramic cylinder 16 by feeding points in the form of E-field waveguide branches 18 on both sides of the ceramic cylinder 16 each split into two equal components, which there in opposite and each tangential direction, .dh in the circumferential direction of the ceramic cylinder 16 to spread as continuous waves. Will be in the plasma chamber 25 ignited the plasma, then an H-mode of the electromagnetic wave can form, with a waveguide surface through the inner surface 29 of the plasma chamber housing 14 is formed, and the opposite surface by the high plasma density 35 near the ceramic surface in the plasma chamber 25 , A double-sided feed by means of constructive coherent waves 17 is advantageous over a one-sided feed of the microwave, as this over the entire circumference of the ceramic cylinder 16 a uniform plasma density is formed, the uniform thermal load of the ceramic cylinder 16 resulting in a very large process window in terms of gas flow, process pressure and fed microwave power. To illustrate the propagation of electromagnetic waves in the waveguide 12 in the E-field waveguide junction 18 and in the ceramic cylinder 16 the electric field of the electromagnetic wave is schematically represented by the vectors 27 shown. As is clear from the 6 and 7 results, the inner cross section of the rectangular waveguide 12 at the feed points of the ceramic cylinder 16 completely covered.

Zum Betrieb der Vorrichtung ist auch die Verwendung eines Oszillatorstiftes 28 vorteilhaft, wobei jeweils ein Oszillator gebildet wird, der aus einer E-Feld-Hohlleiterverzweigung 18 im Keramikzylinder 16 und dem benachbarten Oszillatorstift 28 besteht. Die Position, die Höhe und der Querschnitt des Oszillatorstiftes 28 sind so gewählt, dass die eintretende Welle nahezu vollständig über die E-Feld-Hohlleiterverzweigung 18 in den Keramikzylinder 16 eingespeist wird. Der Querschnitt des Oszillatorstiftes 28 kann rund, elliptisch oder rechteckig sein, aber auch eine andere Form aufweisen. Eine restliche Abstimmung der Plasmavorrichtungen in 1 bis 3 erfolgt über die Abstimmvorrichtungen 13. The operation of the device is also the use of an oscillator pin 28 advantageous, wherein in each case an oscillator is formed, which consists of an E-field waveguide branch 18 in the ceramic cylinder 16 and the adjacent oscillator pin 28 consists. The position, height and cross section of the oscillator pin 28 are chosen so that the incoming wave almost completely via the E-field waveguide junction 18 in the ceramic cylinder 16 is fed. The cross section of the oscillator pin 28 can be round, elliptical or rectangular, but also have a different shape. A remaining vote of the plasma devices in 1 to 3 via the tuning devices 13 ,

Das Prozessgas wird durch zwei Gaseinlässe 22 und 23 eingelassen, wobei der Gaseinlass 22 auf der Rückseite des Keramikzylinders 16 einmündet, und der Gaseinlass 23 gegenüber dem Gasauslass 24. Der Gaseinlass 22 an der Rückseite des Keramikzylinders 16 dient zur besseren Kühlung des Keramikzylinders 16 im Falle des Betriebs der Plasmavorrichtung bei sehr geringem Druck. In 6 und 7 sind zur Abdichtung des Gaseinlasses 22 zusätzlich Keramikbauteile 26 eingefügt, die durch Vakuumdichtungen 36 das Prozessgas gegenüber der Umgebung abdichten. Grundsätzlich und unabhängig von beschriebenen Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn ein Gaseinlass vorgesehen ist, der im Bereich der Zylinderfläche des Keramikzylinders in die Plasmakammer eintritt. The process gas is through two gas inlets 22 and 23 let in, with the gas inlet 22 on the back of the ceramic cylinder 16 opens, and the gas inlet 23 opposite the gas outlet 24 , The gas inlet 22 at the back of the ceramic cylinder 16 serves for better cooling of the ceramic cylinder 16 in the case of the operation of the plasma device at very low pressure. In 6 and 7 are for sealing the gas inlet 22 additionally ceramic components 26 inserted by vacuum seals 36 Seal the process gas to the environment. In principle and independently of the described embodiment, it is preferred if a gas inlet is provided which enters the plasma chamber in the area of the cylindrical surface of the ceramic cylinder.

In 8 und 9 sind Zündeinrichtungen 37 dargestellt, insbesondere für die Vorrichtung in 4 und 5, die vorwiegend für Plasma unter Atmosphärendruck angewendet wird, wobei in 8 eine rechteckförmige Platte 37a mit abgerundeten Kanten in seiner Längsachse zu den Einfallsrichtungen der elektromagnetischen Welle ausgerichtet ist. Zum Zünden des Plasmas wird diese Platte 37a, beispielsweise mittels eines Stabs, in die Ebene des Rechteckhohleiters 14 hochgefahren, und es entsteht dabei eine entsprechende Feldstärke im Zentrum der Platte 37a, die zur Zündung des Plasmas selbst bei geringen Leistungen der eingespeisten elektromagnetischen Welle ausreichend ist. Die Platte 37a kann an seinen Enden auch pfeilförmig zugespitzt sein oder auch halbrund geformt sein. In 8th and 9 are ignition devices 37 shown, in particular for the device in 4 and 5 , which is mainly used for plasma at atmospheric pressure, wherein in 8th a rectangular plate 37a is aligned with rounded edges in its longitudinal axis to the directions of incidence of the electromagnetic wave. To ignite the plasma is this plate 37a , For example by means of a rod, in the plane of the rectangular waveguide 14 started up, and it creates a corresponding field strength in the center of the plate 37a , which is sufficient to ignite the plasma even at low powers of the injected electromagnetic wave. The plate 37a may also be tapered at its ends arrow-shaped or semi-circular shaped.

In 9 ist eine sternförmige Platte 37b mit 6 Enden abgebildet, deren Enden ebenso ausgebildet sind wie die Enden der Platte 37a. Der Vorteil von Platte 37b gegenüber Platte 37a ist dadurch gegeben, dass in jeder Drehlage der Platte 37b eine sichere Zündung des Plasma erfolgt. Die Zündeinrichtung 37 kann aber auch 5, 7, 8 und noch weitere Enden aufweisen. In 9 is a star shaped plate 37b shown with 6 ends whose ends are formed as the ends of the plate 37a , The advantage of plate 37b opposite plate 37a is given by the fact that in every rotational position of the plate 37b a safe ignition of the plasma takes place. The ignition device 37 but may also have 5, 7, 8 and even more ends.

Claims (10)

Vorrichtung zur Behandlung von Prozessgasen in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma, umfassend eine Plasmakammer (25), die mit einem Dielektrikum (16) ausgekleidet ist, einen Generator (11) zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen und eine Hohlleiteranordnung (12) zur Zuführung der elektromagnetischen Wellen in die Plasmakammer (25), wobei die Hohlleiteranordnung (12) wenigstens zwei, jeweils eine E-Feld-Hohlleiterverzweigung (18) aufweisende Einspeisungsstellen zur Einspeisung der elektromagnetischen Wellen als fortlaufende Wellen in das Dielektrikum (16) aufweist. Apparatus for treating process gases in an electromagnetic wave excited plasma, comprising a plasma chamber ( 25 ) with a dielectric ( 16 ), a generator ( 11 ) for generating the electromagnetic waves and a waveguide arrangement ( 12 ) for supplying the electromagnetic waves into the plasma chamber ( 25 ), wherein the waveguide arrangement ( 12 ) at least two, each one E-field waveguide branch ( 18 ) feeding in the electromagnetic waves as continuous waves in the dielectric ( 16 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisungsstellen gleichverteilt um die Plasmakammer (25) herum, insbesondere jeweils zwei Einspeisungsquellen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Plasmakammer (25), angeordnet sind. Apparatus according to claim 1, characterized in that the feed points distributed uniformly around the plasma chamber ( 25 ), in particular in each case two feed sources on opposite sides of the plasma chamber ( 25 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiteranordnung (12) derart ausgebildet ist, dass sich von verschiedenen Einspeisungsstellen eingespeiste elektromagnetische Wellen in der Plasmakammer konstruktiv kohärent überlagern. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the waveguide arrangement ( 12 ) is designed in such a way that superimpose constructively coherent in the plasma chamber from various feed points electromagnetic waves in the plasma chamber. Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiteranordnung (12) wenigstens eine Hohlleiterverzweigung (15a, 15b) aufweist, um die elektromagnetischen Wellen mehreren Einspeisungsstellen zuzuführen, wobei die Längen der jeweiligen Abschnitte der Hohlleiteranordnung (12) von der jeweiligen Hohlleiterverzweigung (15a, 15b) zu den jeweiligen Einspeisungsstellen gleich oder um ein Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen voneinander verschieden sind. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the waveguide arrangement ( 12 ) at least one waveguide branch ( 15a . 15b ) in order to supply the electromagnetic waves to a plurality of feed points, the lengths of the respective sections of the waveguide arrangement ( 12 ) of the respective waveguide branch ( 15a . 15b ) to the respective feed points are equal to or different from each other by a multiple of half the wavelength of the electromagnetic waves. Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Einspeisungsstelle ein Oszillatorelement (28) aufweist, das zusammen mit der jeweiligen E-Feld-Hohlleiterverzweigung (18) einen Oszillator bildet. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the respective feed point is an oscillator element ( 28 ), which together with the respective E-field waveguide junction ( 18 ) forms an oscillator. Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (16) als Hohlzylinder ausgebildet ist. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the dielectric ( 16 ) is designed as a hollow cylinder. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenquerschnitt des jeweiligen Abschnitts der Hohlleiteranordnung (12), mit dem die Hohlleiteranordnung (12) an dem Dielektrikum (16) anliegt, von dem Dielektrikum (16) vollständig abgedeckt wird. Apparatus according to claim 6, characterized in that the inner cross section of the respective section of the waveguide arrangement ( 12 ), with which the waveguide arrangement ( 12 ) on the dielectric ( 16 ), of the dielectric ( 16 ) is completely covered. Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündeinrichtung (37) zur Zündung eines Plasmas in der Plasmakammer (25) vorgesehen ist, wobei die Zündeinrichtung (37) ein Zündelement (37a, 37b) mit wenigstens einem länglichen Zündabschnitt umfasst. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that an ignition device ( 37 ) for igniting a plasma in the plasma chamber ( 25 ) is provided, wherein the ignition device ( 37 ) an ignition element ( 37a . 37b ) comprising at least one elongated ignition section. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (37), insbesondere das Zündelement (37a, 37b), derart ausgebildet ist, dass die Längsachse des oder wenigstens eines Zündabschnitts unter einem Winkel von höchstens 45°, insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel, zu der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen an zumindest einer Einspeisungsstelle orientiert ist. Apparatus according to claim 8, characterized in that the ignition device ( 37 ), in particular the ignition element ( 37a . 37b ), is formed such that the longitudinal axis of the or at least one ignition section is oriented at an angle of at most 45 °, in particular at least substantially parallel, to the propagation direction of the electromagnetic waves at at least one feed point. Verfahren zur Behandlung von Prozessgasen in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma, bei dem die elektromagnetische Wellen erzeugt und einer mit einem Dielektrikum ausgekleideten Plasmakammer derart zugeführt werden, dass die elektromagnetischen Wellen an wenigstens zwei, jeweils eine E-Feld-Hohlleiterverzweigung aufweisende Einspeisungsstellen als fortlaufende Wellen in das Dielektrikum eingespeist werden.  A method of treating process gases in an electromagnetic wave excited plasma, wherein the electromagnetic waves are generated and supplied to a dielectric lined plasma chamber such that the electromagnetic waves propagate to at least two each having an E-field waveguide junction feed points as continuous waves be fed into the dielectric.
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