DE102019133608A1 - Contactless determination of a plasma parameter characterizing a plasma - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Berührungslose Ermittlung eines ein Plasma charakterisierenden Plasmaparameters. Dazu weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte auf:- Erzeugen eines Plasmas,- Beaufschlagen des Plasmas mit einer Radarstrahlung,- Erfassen eines reflektierten und/oder transmittierten Anteils der Radarstrahlung und- Ermitteln der Phasendifferenz zwischen der Radarstrahlung, mit der das Plasma beaufschlagt worden ist, und dem erfassten reflektierten und/oder transmittierten Anteil der Radarstrahlung. Damit wird eine einfache und verlässliche Möglichkeit für eine berührungslose Ermittlung eines ein Plasma charakterisierenden Plasmaparameters bereitgestellt, die eine hohe Messempfindlichkeit aufweist, einen direkten Zusammenhang zwischen Messung und inneren Plasmaparametern herstellt und universell auch bei hohen Temperaturen nutzbar ist.The invention relates to the contactless determination of a plasma parameter characterizing a plasma. To this end, the method according to the invention has the following method steps: generating a plasma, applying radar radiation to the plasma, acquiring a reflected and / or transmitted portion of the radar radiation and determining the phase difference between the radar radiation with which the plasma was applied and the recorded reflected and / or transmitted portion of the radar radiation. This provides a simple and reliable possibility for a contactless determination of a plasma parameter characterizing a plasma, which has a high measurement sensitivity, creates a direct connection between measurement and internal plasma parameters and can be used universally even at high temperatures.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung wenigstens eines ein Plasma charakterisierendes Plasmaparameters in Echtzeit sowie eine dafür geeignete Vorrichtung.The invention relates to a method for the contactless determination of at least one plasma parameter characterizing a plasma in real time and to a device suitable for this.
In der aktuellen Forschung, Entwicklung und Herstellung neuer und innovativer Produkte stellen plasmaunterstützte Verfahren eine Schlüsseltechnologie dar. Hierbei kommen im Allgemeinen technische Plasmen im Niederdruck zum Einsatz. Das Spektrum der Einsatzbereiche erstreckt sich von der Optik, der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbereich und den Materialwissenschaften bis hin zur Medizintechnik. Zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten sind Plasmen ein unverzichtbares Arbeitsmittel, welches die Abscheidung neuartiger Oberflächen sowie multifunktioneller Schichtsysteme insbesondere auf Glas und Kunststoffen ermöglicht. Darüber hinaus ist ein zunehmender Einsatz plasmagestützter Sterilisationsprozesse zur effektiven Inaktivierung multiresistenter Keime festzustellen.In the current research, development and manufacture of new and innovative products, plasma-assisted processes represent a key technology. Here, technical plasmas at low pressure are generally used. The spectrum of areas of application extends from optics, aerospace, automotive and materials science to medical technology. For the production of high-quality thin layers, plasmas are an indispensable tool that enables the deposition of new types of surfaces and multifunctional layer systems, especially on glass and plastics. In addition, there is an increasing use of plasma-assisted sterilization processes for the effective inactivation of multi-resistant germs.
Aufgrund des hohen Marktpotenzials wurde der Plasmadiagnostik in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit in internationalen Forschungsschwerpunkten gewidmet. Auf Grund der hohen Bedeutung der Plasmatechnik in Forschung und Entwicklung stellt die Untersuchung innovativer Sondenkonzepte zur präzisen Bestimmung der inneren Plasmaparameter einen bedeutenden Pfeiler für die gesamte Branche dar. Die hohen Anforderungen an das entsprechende Messsystem lassen die Entwicklung geeigneter minimalinvasiver Messkonzepte und -systeme in den Fokus aktueller Forschungsprojekte rücken.Due to its high market potential, plasma diagnostics has received special attention in international research areas in recent years. Due to the great importance of plasma technology in research and development, the investigation of innovative probe concepts for the precise determination of internal plasma parameters is an important pillar for the entire industry. The high demands on the corresponding measuring system place the focus on the development of suitable minimally invasive measuring concepts and systems current research projects.
Bedingt durch ihre Funktionsweise und Bauart können existierende Sondensysteme häufig allerdings nur indirekte Größen des Plasmas bestimmen und nur limitiert in dielektrischen Beschichtungsprozessen eingesetzt werden, da sie während der Messung im Plasma ebenfalls beschichtet werden. Die Folge ist eine teils dramatische Verschlechterung der Messung, die bis zum vollständigen Versagen des Messsystems führen kann. Die effektive, schnelle und zuverlässige Regelung eines Plasmaprozesses kann jedoch nur bei exakter Kenntnis der inneren Plasmaparameter gewährleistet werden.Due to their mode of operation and design, existing probe systems can often only determine indirect dimensions of the plasma and can only be used to a limited extent in dielectric coating processes, since they are also coated during the measurement in the plasma. The result is a sometimes dramatic deterioration in the measurement, which can lead to a complete failure of the measuring system. However, the effective, fast and reliable regulation of a plasma process can only be guaranteed with precise knowledge of the internal plasma parameters.
Herkömmliche Verfahren zur Plasmadiagnostik weisen insofern mitunter die nachfolgenden Nachteile auf:
- - Eingeschränkte Messempfindlichkeit bei Beschichtungsprozessen
- - Teils kein direkter Zusammenhang zwischen Messung und inneren Plasmaparametern
- - Kompliziertes Auswerteverfahren (komplexe math. Modelle)
- - Eingeschränkte Nutzbarkeit bei hohen Temperaturen (Temperatur kann einige 100 °C erreichen)
- - Nicht universell, also nur für ausgewählte Anregeverfahren und Gastypen verwendbar
- - Komplexer oder teurer Aufbau
- - Zu träge, um plasmadynamische Effekte zu detektieren
- - Limited measurement sensitivity in coating processes
- - Partly no direct connection between measurement and internal plasma parameters
- - Complicated evaluation procedure (complex math. Models)
- - Limited usability at high temperatures (temperature can reach several 100 ° C)
- - Not universal, so can only be used for selected excitation methods and gas types
- - Complex or expensive structure
- - Too slow to detect plasma dynamic effects
Berührungslose bzw. minimalinvasive Messmethoden sind im industriellen Einsatz bevorzugt. Während Sonden, wie die Langmuir-Sonde oder die Multipol-Resonanz-Sonde, in das Plasma eingebracht werden müssen, können Verfahren wie die optischen Emissionsspektroskopie (OES) berührungslos von außen das Plasma überwachen. In beiden Fällen sind allerdings teils aufwändige mathematische Modelle notwendig, um den Messeffekt mit dem Plasmazustand zu korrelieren. Sonden sind geeignet, lokal zu messen, wobei die pure Anwesenheit der Sonde im Plasma bereits eine Rückwirkung auf dieses hat. Die OES ihrerseits ist eine integrale Messmethode, da über ein gewisses Plasmavolumen gemessen wird, wobei diese Methode jedoch einen optischen Zugang zum Prozess erfordert und ein sehr komplexes Modell zur Interpretation der Ergebnisse verwendet. Beide Verfahren weisen bestimmte Vor- und Nachteile auf, so dass mitunter auch Kombinationen beider Messmethoden zum Einsatz kommen. Um plasmadynamische Vorgänge erfassen zu können, ist eine schnelle Messung von Vorteil, die kleinste Inhomogenitäten und Schwankungen im Plasma auflösen kann, unabhängig vom Gas bzw. der Zusammensetzung sowie des Anregeverfahrens.Contactless or minimally invasive measurement methods are preferred in industrial use. While probes such as the Langmuir probe or the multipole resonance probe have to be introduced into the plasma, methods such as optical emission spectroscopy (OES) can monitor the plasma from the outside without contact. In both cases, however, sometimes complex mathematical models are necessary in order to correlate the measurement effect with the plasma state. Probes are suitable for measuring locally, whereby the mere presence of the probe in the plasma already has an effect on this. The OES, for its part, is an integral measurement method, since measurements are made over a certain volume of plasma. However, this method requires optical access to the process and uses a very complex model to interpret the results. Both methods have certain advantages and disadvantages, so that combinations of both measurement methods are sometimes used. In order to be able to record plasma dynamic processes, a fast measurement is advantageous, which can resolve the smallest inhomogeneities and fluctuations in the plasma, regardless of the gas or the composition as well as the excitation method.
Gemäß dem Artikel „Accurate Double Transmission Measurement Concepts for the Permittivity Determination in Pneumatic Conveying Tubes with Microwaves“ in Asia-Pacific Microwave Conference 2011 wurden auf Basis der gemessenen Laufzeiten eines Radars pneumatisch geförderte Schüttgüter erfasst und in ihr Volumendichte und Fördergeschwindigkeit untersucht. Mittels modulierender Ziele bzw. mittels eines transpolarisierenden Reflektors kann die gewünschte Reflexion effektiver von unerwünschten Reflexionen getrennt werden. In diesem Ansatz wird darüber hinaus das zu untersuchende Medium zwei Mal durchlaufen, wodurch der Messeffekt verstärkt wird. Verschiedene Ausführungen dieses Messprinzips sind in der
Gemäß der
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine einfache und verlässliche Möglichkeit für eine berührungslose Ermittlung eines ein Plasma charakterisierenden Plasmaparameters anzugeben, die eine hohe Messempfindlichkeit aufweist, einen direkten Zusammenhang zwischen Messung und inneren Plasmaparametern herstellt und universell auch bei hohen Temperaturen nutzbar ist.Based on this, the object of the invention is to provide a simple and reliable possibility for a contactless determination of a plasma parameter characterizing a plasma, which has a high measurement sensitivity, creates a direct relationship between measurement and internal plasma parameters and can be used universally even at high temperatures.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This object is achieved by the subjects of the independent claims. Preferred developments can be found in the subclaims.
Die Erfindung betrifft damit ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung wenigstens eines ein Plasma charakterisierenden Plasmaparameters in Echtzeit, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Erzeugen eines Plasmas,
- - Beaufschlagen des Plasmas mit einer Radarstrahlung,
- - Erfassen eines reflektierten und/oder transmittierten Anteils der Radarstrahlung und
- - Ermitteln der Phasendifferenz zwischen der Radarstrahlung, mit der das Plasma beaufschlagt worden ist, und dem erfassten reflektierten und/oder transmitierten Anteil der Radarstrahlung.
- - generation of a plasma,
- - Exposure of the plasma to radar radiation,
- - Detecting a reflected and / or transmitted portion of the radar radiation and
- - Determination of the phase difference between the radar radiation with which the plasma has been applied, and the detected reflected and / or transmitted portion of the radar radiation.
Erfindungsgemäß wird also ein Radar-basierter Ansatz zur berührungslosen Überwachung und/oder Charakterisierung des Plasmazustandes in Echtzeit verwendet. Damit ist es möglich, die eingekoppelte und damit zur Anregung genutzte Leistung zu überwachen und damit die Änderung der sogenannten Plasmadichte festzustellen. Die Plasmadichte ihrerseits steht in einem direkten Zusammenhang mit der sogenannten Plasmaelektronenfrequenz, die typischerweise kleiner als 10 GHz ist und zur Beschreibung der dielektrischen Eigenschaften verwendet werden kann. Neben der Überwachung der Dichte können auch weitere Informationen über das Plasma gewonnen werden: Vorzugsweise wird zusätzlich überwacht, ob das Plasma eingeschwungen ist und/oder ob das Plasma verunreinigt ist und/oder ob die Leistungsanpassung funktioniert. Dabei kommt ein Ansatz zum Tragen, gemäß dem die Phasenänderung an einem Referenzziel ausgewertet wird.According to the invention, a radar-based approach is used for contactless monitoring and / or characterization of the plasma state in real time. This makes it possible to monitor the power coupled in and thus used for excitation and thus to determine the change in the so-called plasma density. The plasma density, for its part, is directly related to the so-called plasma electron frequency, which is typically less than 10 GHz and can be used to describe the dielectric properties. In addition to monitoring the density, further information about the plasma can also be obtained: Preferably, it is also monitored whether the plasma has settled and / or whether the plasma is contaminated and / or whether the power adjustment is working. Here, an approach comes into play, according to which the phase change is evaluated at a reference target.
Die vorliegende Erfindung nutzt also die Tatsache aus, dass es bei Plasmen einen direkten Zusammenhang von Eingangsleistung und Elektronendichte gibt. Die Elektronendichte ist mit der Plasmaelektronenfrequenz verknüpft, die ihrerseits dominanten Einfluss auf die frequenzabhängige Permittivität des Plasmas hat. Bei Radarmessungen ist sowohl die Laufzeit (Time of Flight - TOF) als auch die Phase von der Permittivität abhängig. Die Phase ist empfindlicher und wird daher vorzugsweise für schnelle Änderungen ausgewertet. Im Ergebnis kann somit die Phasenänderung als Maß für die Leistung bzw. die Dichte des Plasmas ausgewertet und z.B. zur Regelung der Plasmaerzeugung verwendet werden.The present invention thus takes advantage of the fact that there is a direct relationship between input power and electron density in plasmas. The electron density is linked to the plasma electron frequency, which in turn has a dominant influence on the frequency-dependent permittivity of the plasma. With radar measurements, both the time of flight (TOF) and the phase depend on the permittivity. The phase is more sensitive and is therefore preferably evaluated for rapid changes. As a result, the phase change can be evaluated as a measure for the power or the density of the plasma and used, for example, to regulate the plasma generation.
Grundsätzlich kann die Art der Radarstrahlung unterschiedlich gewählt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gilt jedoch, dass die Radarstrahlung eine FMCW-Radarstrahlung ist.In principle, the type of radar radiation can be selected differently. According to a preferred embodiment of the invention, however, the radar radiation is FMCW radar radiation.
Für den Einsatz der Erfindung kann es ausreichend sein, die Phasendifferenz zwischen der Radarstrahlung, mit der das Plasma beaufschlagt worden ist, und dem erfassten reflektierten Anteil der Radarstrahlung zu bestimmen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird allerdings zusätzlich zu der Phasendifferenz die Dispersion ermittelt. Die Dispersionsbetrachtung kann grundsätzlich eine direkte Bestimmung der Plasmaelektronenfrequenz zulassen. Hierbei wird die Phasenänderung nicht nur an einer festen Frequenz ausgewertet sondern an mehreren Frequenzpunkten, so dass der frequenzabhängige Verlauf der Permittivität abgeleitet werden kann. Durch Extrapolation des Verlaufs lässt sich die Plasmaelektronenfrequenz bestimmen.For the use of the invention it can be sufficient to determine the phase difference between the radar radiation with which the plasma has been applied and the recorded reflected portion of the radar radiation. According to a preferred embodiment of the invention, however, the dispersion is determined in addition to the phase difference. The observation of dispersion can in principle allow a direct determination of the plasma electron frequency. The phase change is not only evaluated at a fixed frequency but at several frequency points so that the frequency-dependent course of the permittivity can be derived. The plasma electron frequency can be determined by extrapolating the course.
Im Prinzip ist es möglich, die Erfindung ohne einen besonderen Reflektor zu verwirklichen. Vorzugsweise rührt jedoch der reflektierte Anteil der Radarstrahlung von der Reflexion an einem in den Strahlengang der Radarstrahlung eingebrachten Ziel zur Reflexion der Radarstrahlung her. Dabei ist das Ziel zur Reflexion der Radarstrahlung gemäß bevorzugter Ausgestaltungen transpolarisierend und/oder schaltbar, z.B. um weitere Reflexionen zu unterdrücken.In principle it is possible to implement the invention without a special reflector. Preferably, however, the reflected portion of the radar radiation originates from the reflection at a target introduced into the beam path of the radar radiation for the purpose of reflecting the radar radiation. According to preferred embodiments, the target for reflecting the radar radiation is transpolarizing and / or switchable, e.g. to suppress further reflections.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Plasma in einer Plasmareaktorkammer erzeugt wird, nachfolgend auch als Plasmareaktor bezeichnet, und das Ziel zur Reflexion der Radarstrahlung von einer Wandung der Plasmareaktorkammer gebildet wird. Auf diese Weise kann ein separater, in die Plasmareaktorkammer einzubringender Reflektor vermieden werden. Ferner ist es bevorzugt, dass das Plasma mit der Radarstrahlung von außerhalb der Plasmareaktorkammer beaufschlagt wird. Das heißt, dass die Radarstrahlung außerhalb der Plasmareaktorkammer erzeugt wird. Insofern gilt vorzugsweise auch, dass die Radarstrahlung durch ein Fenster in der Plasmareaktorkammer oder mittels eines Wellenleiters unter Verwendung einer Druckstufe in die Plasmareaktorkammer eingekoppelt wird. Als Wellenleiter kommen vorzugsweise insbesondere Hohlleiter oder dielektrischer Wellenleiter in Betracht. Außerdem kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Radarstrahlung mit Hilfe einer druckdichten Einkoppelstruktur eingekoppelt wird, insbesondere mittels wenigstens einer dielektrischen Linse. Eine solche Linse besteht vorzugsweise aus PTFE, PP, oder PEEK, einem Glas oder einer Keramik. Außerdem wird die Radarstrahlung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung unter Verwendung wenigstens eines Umlenkspiegels und/oder eines strahlschwenkenden Systems eingekoppelt. A preferred development of the invention provides that the plasma is generated in a plasma reactor chamber, hereinafter also referred to as a plasma reactor, and the target for reflecting the radar radiation is formed by a wall of the plasma reactor chamber. In this way, a separate reflector to be introduced into the plasma reactor chamber can be avoided. Furthermore, it is preferred that the radar radiation is applied to the plasma from outside the plasma reactor chamber. This means that the radar radiation is generated outside the plasma reactor chamber. In this respect, it preferably also applies that the Radar radiation is coupled through a window in the plasma reactor chamber or by means of a waveguide using a pressure stage in the plasma reactor chamber. In particular, waveguides or dielectric waveguides come into consideration as waveguides. In addition, according to a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the radar radiation is coupled in with the aid of a pressure-tight coupling structure, in particular by means of at least one dielectric lens. Such a lens is preferably made of PTFE, PP, or PEEK, a glass or a ceramic. In addition, according to a preferred development of the invention, the radar radiation is coupled in using at least one deflecting mirror and / or a beam-pivoting system.
Grundsätzlich kann eine einzige Messstrecke für die Erfindung ausreichend sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Beaufschlagung des Plasmas mit der Radarstrahlung jedoch längs einer Mehrzahl unterschiedlicher Messstrecken, z.B zur Kompensation von thermischer Drift und/oder für eine Referenzmessstreckenmessung. Dabei gilt vorzugsweise auch, dass die Signale der Mehrzahl unterschiedlicher Messstrecken parallel ausgewertet werden, und zwar einerseits hinsichtlich der Phasendifferenz zwischen der Radarstrahlung, mit der das Plasma beaufschlagt worden ist, und dem erfassten reflektierten Anteil der Radarstrahlung und optional auch hinsichtlich anderer Parameter, wie der Dispersion.In principle, a single measurement section can be sufficient for the invention. According to a preferred development of the invention, however, the plasma is exposed to the radar radiation along a plurality of different measuring sections, e.g. to compensate for thermal drift and / or for a reference measuring section measurement. It also preferably applies here that the signals of the plurality of different measurement sections are evaluated in parallel, on the one hand with regard to the phase difference between the radar radiation with which the plasma has been applied and the recorded reflected portion of the radar radiation and optionally also with regard to other parameters, such as the Dispersion.
Die Erfindung betrifft auch ein Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung wenigstens eines ein Plasma charakterisierendes Plasmaparameters in Echtzeit, mit einer Plasmareaktorkammer zum Erzeugen eines Plasmas, einer Antenne zum Beaufschlagen des Plasmas mit einer Radarstrahlung, einer Antenne zum Erfassen eines reflektierten Anteils der Radarstrahlung und einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen der Radarstrahlung, mit der das Plasma beaufschlagt worden ist, und dem erfassten reflektierten Anteil der Radarstrahlung.The invention also relates to a device for contactless determination of at least one plasma parameter characterizing a plasma in real time, with a plasma reactor chamber for generating a plasma, an antenna for applying radar radiation to the plasma, an antenna for detecting a reflected portion of the radar radiation and an evaluation device for determining the phase difference between the radar radiation with which the plasma has been exposed and the recorded reflected portion of the radar radiation.
Grundsätzlich entsprechen die Funktionsweise und die möglichen Ausgestaltungen dieser Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung wenigstens eines ein Plasma charakterisierendes Plasmaparameters den zuvor beschriebenen Funktionsweisen und möglichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.In principle, the mode of operation and the possible configurations of this device for contactless determination of at least one plasma parameter characterizing a plasma correspond to the previously described modes of operation and possible configurations of the method according to the invention.
Insofern gilt vorzugsweise auch, dass in der Plasmareaktorkammer im Strahlengang der Radarstrahlung ein Ziel zur Reflexion der Radarstrahlung angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Ziel zur Reflexion der Radarstrahlung transpolarisierend und/oder schaltbar. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird dabei das Ziel zur Reflexion der Radarstrahlung von einer Wandung der Plasmareaktorkammer gebildet wird. Vorzugsweise ist ferner die Antenne zum Beaufschlagen des Plasmas mit der Radarstrahlung außerhalb der Plasmareaktorkammer angeordnet.In this respect, it preferably also applies that a target for reflecting the radar radiation is arranged in the plasma reactor chamber in the beam path of the radar radiation. The target for reflecting the radar radiation is preferably transpolarizing and / or switchable. According to a preferred embodiment, the target for reflecting the radar radiation is formed by a wall of the plasma reactor chamber. Furthermore, the antenna for subjecting the plasma to the radar radiation is preferably arranged outside the plasma reactor chamber.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Radarstrahlung durch ein Fenster in der Plasmareaktorkammer oder mittels eines Wellenleiters unter Verwendung einer Druckstufe in die Plasmareaktorkammer eingekoppelt. Vorzugsweise kann eine druckdichte Einkoppelstruktur zum Einkoppeln der Radarstrahlung vorgesehen sein, insbesondere in Form einer dielektrischen Linse, die z.B. aus PTFE, PP oder PEEK, einem Glas oder einer Keramik besteht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ferner ein Umlenkspiegels und/oder ein strahlschwenkendes System zum Einkoppeln der Radarstrahlung vorgesehen sein.According to a preferred development of the invention, the radar radiation is coupled into the plasma reactor chamber through a window in the plasma reactor chamber or by means of a waveguide using a pressure stage. A pressure-tight coupling structure for coupling in the radar radiation can preferably be provided, in particular in the form of a dielectric lens, which consists, for example, of PTFE, PP or PEEK, a glass or a ceramic. According to a preferred development of the invention, a deflection mirror and / or a beam-pivoting system for coupling in the radar radiation can also be provided.
Vorzugsweise sind eine Mehrzahl unterschiedlicher Messstrecken für die Radarstrahlung vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist dabei die Auswerteeinrichtung zur parallelen Auswertung der Signale der Mehrzahl der unterschiedlichen Messstrecken eingerichtet.A plurality of different measurement sections are preferably provided for the radar radiation. The evaluation device is particularly preferably set up for the parallel evaluation of the signals of the plurality of different measuring sections.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.The invention is explained in more detail below using a preferred exemplary embodiment with reference to the drawings.
In den Zeichnungen zeigen
-
1 schematisch eine Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung eines Plasmaparameters in Echtzeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 die Phase am beobachteten Ziel über der Messhistorie im Ruhezustand, -
3 die Phase am beobachteten Ziel über der Messhistorie, wobei der Einfluss von Vibrationen aufgrund der Vakuumpumpen zu erkennen ist, -
4 die Phase am beobachteten Ziel über der Messhistorie, wobei die Phasenänderung beim Öffnen der Ventile und beim Einlass von Argon zu sehen ist, -
5 die Phase am beobachteten Ziel über der Messhistorie, wobei die Situation vor dem Matching zu sehen ist, -
6 die Phase am beobachteten Ziel über der Messhistorie, wobei der Einschwingvorgang und die Änderungen im Matching erkannt werden können, -
7 die Phase am beobachteten Ziel über der Messhistorie, wobei Leistungsvariationen in einem Argonplasma zu erkennen sind, -
8 die Phase am beobachteten Ziel über der Messhistorie, wobei Leistungsvariationen in einem Stickstoffplasma zu erkennen sind, -
9 schematisch eine Anordnung zur Bestimmung der Homogenität des Plasmas gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und -
10 schematisch eine Anordnung zur Erfassung des Dichteverlaufs des Plasmas gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 schematically a device for the contactless determination of a plasma parameter in real time according to an embodiment of the invention, -
2 the phase at the observed target over the measurement history in the idle state, -
3rd the phase at the observed target over the measurement history, whereby the influence of vibrations due to the vacuum pumps can be recognized, -
4th the phase at the observed target over the measurement history, whereby the phase change can be seen when the valves are opened and when argon is introduced, -
5 the phase at the observed target over the measurement history, whereby the situation can be seen before the matching, -
6th the phase at the observed target over the measurement history, whereby the transient process and the changes in the matching can be recognized, -
7th the phase at the observed target over the measurement history, whereby power variations can be seen in an argon plasma, -
8th the phase at the observed target over the measurement history, whereby performance variations can be seen in a nitrogen plasma, -
9 schematically an arrangement for determining the homogeneity of the plasma according to an embodiment of the invention and -
10 schematically an arrangement for detecting the density profile of the plasma according to an embodiment of the invention.
Wie weiter oben schon erläutert, verwendet die vorliegende Erfindung einen Radarbasierten Ansatz zur berührungslosen Überwachung und/oder Charakterisierung des Plasmazustandes in Echtzeit. Ein Plasma kann als frequenzabhängiges dielektrisches Material εr,p(ω) angenommen werden. Somit gilt für den Einfluss auf die Laufzeitmessung (TOF) oder den Einfluss der übertragenen elektromagnetischen Signale auf die Phase ϕ:
Mit zwei hinter einem Ventil angeordneten Pumpen
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Radar
Die Anregungsleistung liegt zwischen 500 W und 700 W. Als Radar
Der Abstand / der Messstrecke
Grundsätzlich könnte z.B. ein Aluminiumziel in den Plasmareaktor
Wie oben beschrieben, ist die Antenne
Im Übrigen können natürlich auch druckdichte Einkoppeltrukturen verwendet werden, z.B. dielektrische Linsen (z.B. aus PTFE, PP oder PEEK), die aus der Antennentechnik bekannt sind. Es kann aber auch eine Glaslinse oder eine Keramiklinse verwendet werden. Das als Reflektor dienende Ziel
Das Plasma wird vorliegend als frequenzabhängiges Material aufgefasst, dessen Permittivität sich mit Veränderung der Leistung und damit der Plasmaelektronenfrequenz verändert. Zur Beschreibung des Plasmas kann das sogenannte Drude-Modell für kalte Plasmen angesetzt werden, das im Allgemeinen zur Beschreibung von Plasmen unterhalb der Plasmaelektronenfrequenz zum Einsatz kommt. Dieses Modell beschreibt das Plasma als frequenzabhängiges dielektrisches Material, dessen Änderung mit Hilfe des Radars
Im Rahmen der Erfindung ist nun festgestellt worden, dass die Änderung der Plasmaelektronenfrequenz bei hohen Frequenzen eine für eine verlässliche Erfassung ausreichend große Änderung der Permittivität darstellt, so dass aufgrund der geringen Verluste große Messstrecken betrachtet werden können, die wiederum den Messeffekt vergrößern. Somit ermöglicht die Erfindung die Erfassung von Plasmaparatern mit Hilfe von relativ großen und damit gut zu detektierende Phasenunterschieden, was z.B. zur Regelung des Prozesses und/oder zur Verbesserung der Anregung verwendet werden kann.In the context of the invention, it has now been established that the change in the plasma electron frequency at high frequencies represents a change in the permittivity that is sufficiently large for reliable detection, so that, due to the low losses, large measurement paths can be observed, which in turn increase the measurement effect. Thus, the invention enables the detection of plasma devices with the help of relatively large and therefore easy to detect phase differences, which can be used, for example, to control the process and / or to improve the excitation.
Im Vergleich zu herkömmlichen Messsystemen ist das erfindungsgemäß vorgesehene Radarsystem sehr empfindlich und auch kleinste Änderungen des Plasmas können detektiert werden. So können z.B. Schwankungen des Anpassnetzwerkes (Matching) der Leistungsquelle des Plasmas erfasst werden. Je nach Ausführung können auch fokussierende Linsensysteme oder mehrere Messstrecken im Plasmareaktor
In den nachfolgend beschriebenen Figuren ist die Phase am beobachteten Ziel
In den nachfolgend beschriebenen Figuren ist die Zündung des Plasmas mit und ohne Matching gezeigt. Es kann erkannt werden, wie das Plasma zunächst mit Sauerstoffresten verunreinigt ist und sich das Plasma über die Messungen und somit über der Zeit einem konstanten Zustand, reines Argon-Plasma, nähert.
In
Aus
Eine Anordnung zur Erfassung des Dichteverlaufs des Plasmas gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch aus
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung eines Plasmaparameters in EchtzeitDevice for the contactless determination of a plasma parameter in real time
- 22
- PlasmareaktorPlasma reactor
- 33
- Radarradar
- 44th
- Antenneantenna
- 55
- dielektrisches Fensterdielectric window
- 66th
- Flanschflange
- 6a6a
- Flanschflange
- 6b6b
- Flanschflange
- 6c6c
- Flanschflange
- 6d6d
- Flanschflange
- 77th
- planare Spulenplanar coils
- 88th
- MessstreckeMeasuring section
- 8a8a
- MessstreckeMeasuring section
- 8b8b
- MessstreckeMeasuring section
- 8c8c
- MessstreckeMeasuring section
- 8d8d
- MessstreckeMeasuring section
- 99
- Zielaim
- 1010
- GaseinlassGas inlet
- 1111
- Pumpenpump
- 1212th
- AnsteuervorrichtungenControl devices
- 1313th
- LeistungsquellePower source
- 1414th
- Auswerte- und RegeleinrichtungEvaluation and control device
- 1515th
- zylindrisches Rohrcylindrical tube
- 1616
- SplitterSplinter
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- US 2019/0187071 A1 [0008]US 2019/0187071 A1 [0008]
Claims (10)
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