DE112012000015B4 - Device for exciting a high-frequency gas plasma - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas durch Übertragen einer elektromagnetischen Leistung von einem Hochfrequenzgenerator in ein Gasplasma, umfassend ein Entladungsgefäß (4), um das eine Plasmaspule (11, 12) gewunden ist, eine Vakuumpumpe (1), ein Dosierungsventil (6) und eine Gasflasche (7), wobei der Hochfrequenzgenerator (8), ein Anpassungsnetzwerk (10) umfassend zwei variable Hochfrequenz-Hochspannungs-Vakuumkondensatoren, deren Kapazität mittels Servos unter der Steuerung des Hochfrequenzgenerators (8) geändert wird, und die Plasmaspule (11, 12) seriell verbunden sind, wobei die Plasmaspule (11, 12) aus zwei oder mehr parallel verbundenen Spulen besteht, sodass die Windungen der Spulen einander nicht überlappen und um eine gemeinsame Achse gewunden sind, wobei die Windungen der zweiten Spule zwischen den Windungen der ersten Spule angeordnet sind.An apparatus for exciting a high-frequency gas plasma by transmitting an electromagnetic power from a high-frequency generator into a gas plasma, comprising a discharge vessel (4) around which a plasma coil (11, 12) is wound, a vacuum pump (1), a metering valve (6) and a gas bottle (7), wherein the high frequency generator (8), a matching network (10) comprising two variable high frequency high voltage vacuum capacitors whose capacity is changed by means of servos under the control of the high frequency generator (8), and the plasma coil (11, 12 ), wherein the plasma coil (11, 12) consists of two or more coils connected in parallel so that the turns of the coils do not overlap each other and are wound around a common axis, wherein the turns of the second coil between the turns of the first coil are arranged.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas und insbesondere für die Optimierung der Übertragung von elektromagnetischer Leistung von einem Hochfrequenzgenerator in das Gasplasma. Die Leistungsübertragung wird optimiert, indem zwei oder mehr parallele, überlappende und versetzte Anregungsspulen verwendet werden, die seriell in einer Anordnung verbunden sind, die einen Generator, ein Hochfrequenzkabel, ein Anpassungsnetzwerk und eine Spule umfasst. Eine derartige Verbindung der Spulen weist verschiedene Vorteile gegenüber bekannten Anordnungen auf, wobei etwa die Leistungseffizienz des Generators erhöht wird, das Plasma in dem Entladungsgefäß homogener ist, die an dem Generator für die Erzeugung des Plasmas erforderliche Spannung niedriger ist und gleichzeitig durch eine kapazitive Kopplung in dem Plasmasystem verursachte Nebeneffekte reduziert sind.The present invention relates to an apparatus for exciting a high-frequency gas plasma and in particular for optimizing the transmission of electromagnetic power from a high-frequency generator into the gas plasma. The power transmission is optimized by using two or more parallel, overlapping and offset excitation coils connected in series in an assembly comprising a generator, a radio frequency cable, a matching network and a coil. Such a connection of the coils has various advantages over known arrangements, such as increasing the power efficiency of the generator, the homogeneity of the plasma in the discharge vessel, the lower voltage required at the generator for generating the plasma and at the same time by a capacitive coupling in the plasma system caused side effects are reduced.

Plasmen haben sich während der letzten Jahrzehnte zur Grundlage von zahlreichen modernen Techniken entwickelt. Es sind thermisch und thermodynamisch unausgeglichene Plasmen bekannt. Ein thermisches Plasma, in dem sich die Gasteilchen in einer thermodynamischen Balance befinden, wird für das Plasmaschneiden und -schweißen, für die Synthese von Keramiken, für die Zersetzung von gefährlichen chemischen Abfällen, für das Plasmasprühen von dicken Schutzbeschichtungen auf Werkzeuge und Maschinen usw. verwendet. Die Nachfrage nach umweltfreundlichen Techniken hat zu der Entwicklung von neuen Prozessen für die Behandlung von Materialien geführt, in denen thermodynamisch unausgeglichene Plasmen verwendet werden. Einige Beispiele hierfür sind: Vakuumprozesse zum Auftragen von dünnen Schichten, die Beleuchtungsbranche, die Lasererzeugung, Mikroelektronik, Makroelektronik wie etwa Plasmabildschirme, die Mikrobehandlung von Silizium wie etwa die Herstellung von Silizium-Drucksensoren, die Herstellung von Speicherelementen usw. Zahlreiche weitere Beispiele können in der Kraftfahrzeug-, Optik- und Rüstungsbranche sowie in der Biomedizin gefunden werden.Plasmas have become the basis of many modern techniques over the last decades. Thermally and thermodynamically unbalanced plasmas are known. A thermal plasma in which the gas particles are in thermodynamic balance is used for plasma cutting and welding, for the synthesis of ceramics, for the decomposition of hazardous chemical wastes, for the plasma spraying of thick protective coatings on tools and machines, etc. , The demand for environmentally friendly techniques has led to the development of new processes for the treatment of materials in which thermodynamically unbalanced plasmas are used. Some examples of these are: vacuum processes for applying thin films, the lighting industry, laser production, microelectronics, macroelectronics such as plasma screens, micromachining of silicon such as the production of silicon pressure sensors, the manufacture of memory elements, etc. Numerous other examples can be found in the Automotive, optics and defense industries as well as in biomedicine.

Verschiedene Typen von thermodynamisch unausgeglichenen Plasmen werden für die Plasmabehandlung von Oberflächen von Materialien verwendet und können durch verschiedene Typen von Entladungen in Gasen angeregt werden. Der Übergang eines Gases zu einem Plasma oder eine Entladung können erzielt werden, indem das Gas einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Das Gas, durch das der elektrische Strom fließt, wird teilweise ionisiert, sodass also freie Elektronen und Ionen neben neutralen Teilchen vorhanden sind. Freie Elektronen können in dem elektrischen Feld beschleunigt werden und können durch Kollisionen mit Atomen oder Gasmolekülen veranlassen, dass das Atom oder Molekül von dem grundlegenden thermodynamisch ausgeglichenen Zustand zu anderen angeregten Zuständen wechselt.Various types of thermodynamically unbalanced plasmas are used for the plasma treatment of surfaces of materials and can be excited by various types of discharges in gases. The transition of a gas to a plasma or a discharge can be achieved by exposing the gas to an electric field. The gas through which the electric current flows is partially ionized, so that free electrons and ions are present next to neutral particles. Free electrons can be accelerated in the electric field and, by collisions with atoms or gas molecules, cause the atom or molecule to change from the basic thermodynamically balanced state to other excited states.

Die Entladungstypen lassen sich anhand der Frequenzen des elektrischen Felds, mit dem das Plasma angeregt wird, kategorisieren: Gleichstrom-Koronaentladung 50–450 kHz, Hochfrequenzentladung 5–100 MHz, isotrope Mikrowellenentladung ohne Magnet 2,45 GHz und ECR-Entladung mit Magnet 2,45 GHz.The discharge types can be categorized by the frequencies of the electric field with which the plasma is excited: DC corona discharge 50-450 kHz, high frequency discharge 5-100 MHz, isotropic microwave discharge without magnet 2.45 GHz and ECR discharge with magnet 2, 45 GHz.

Bei einem Hochfrequenzplasma (nachfolgend auch einfach als HF-Plasma bezeichnet) werden vor allem zwei branchenübliche Frequenzen von 13,56 MHz und 27,12 MHz verwendet. HF-Plasmen lassen sich in Abhängigkeit von dem für die Erzeugung des elektrischen Felds verwendeten Verfahren in kapazitiv und induktiv gekoppelte Plasmen unterteilen. Bei einer kapazitiven Kopplung werden Elektroden oder ein Kondensator für die Erzeugung des elektrischen Felds verwendet, und bei einer induktiven Kopplung wird eine Anregungsspule verwendet.In the case of a high-frequency plasma (hereinafter also referred to simply as an RF plasma), two industry-standard frequencies of 13.56 MHz and 27.12 MHz are used in particular. RF plasmas can be subdivided into capacitively and inductively coupled plasmas depending on the method used to generate the electric field. In capacitive coupling, electrodes or a capacitor are used to generate the electric field, and an inductive coupling uses an excitation coil.

Für ein induktiv gekoppeltes Plasma sind zwei Betriebstypen bekannt: ein E-Typ und ein H-Typ. Eine hohe Lichtemission, eine niedrige Elektronendichte und eine relativ hohe Elektronentemperatur sind kennzeichnend für eine Entladung in dem induktiv gekoppelten Plasma, wenn niedrigere Anregungsleistungen verwendet werden. Weil dabei die kapazitive Komponente der HF-Leistungsübertragung in das Plasma vorherrscht, wird dieser Typ als E-Typ bezeichnet. Wenn der kritische Wert durch eine Erhöhung der HF-Anregungsleistung erreicht wird, werden die Leuchtstärke des Plasmas und die Dichte der Elektronen unmittelbar erhöht und wird die Elektronentemperatur etwas vermindert. Bei diesem Betriebstyp herrscht das induktive Verfahren der HF-Leistungsübertragung in das Plasma vor, sodass er als H-Typ bezeichnet wird. In dem H-Typ, der relativ einfach in kleineren Plasmareaktoren zu erzielen ist, wird das Plasma in einem kleinen Volumen innerhalb der Anregungsspule oder in Nachbarschaft zu der Anregungsspule konzentriert. Ungelöst bleibt jedoch das Problem der Erzeugung eines gleichmäßig verteilten, induktiv gekoppelten HF-Plasmas in größeren Reaktoren des H-Typs, die insbesondere für die Industrie interessant sind.For an inductively coupled plasma, two types of operation are known: an E-type and an H-type. High light emission, low electron density, and relatively high electron temperature are indicative of a discharge in the inductively coupled plasma when lower excitation powers are used. Because there is the capacitive component of RF power transmission into the plasma, this type is called E-type. When the critical value is achieved by increasing the RF excitation power, the luminosity of the plasma and the density of the electrons are immediately increased and the electron temperature is somewhat reduced. In this type of operation, the inductive method of RF power transmission into the plasma prevails, so it is called H-type. In the H-type, which is relatively easy to achieve in smaller plasma reactors, the plasma is concentrated in a small volume within the excitation coil or in proximity to the excitation coil. However, the problem of generating a uniformly distributed, inductively coupled RF plasma in larger H-type reactors, which are of particular industrial interest, remains unsolved.

Große Plasmareaktoren für ein induktiv gekoppeltes HF-Plasma werden in der Industrie in verschiedenen Prozessen für die Behandlung von Oberflächen verwendet, die in den folgenden Druckschriften beschrieben werden: WO 2004098259 A3 , EP 1828434 A1 , US 2010024845 A1 usw.Large plasma reactors for inductively coupled RF plasma are used in industry in various surface treatment processes described in the following references: WO 2004098259 A3 . EP 1828434 A1 . US 2010024845 A1 etc.

Die meisten dieser Prozesse erfordern ein Plasma mit der größtmöglichen Dichte von Ionen oder neutralen Atomen. Wenn man eine große Dichte von neutralen Atomen oder Ionen mit einem bestimmten Druck erzielen möchte, sollte das Plasma mit der höchstmöglichen Leistung angeregt werden, wobei wie in dem Patent Nr. SI 21903 A angegeben der Plasmareaktor aus einem Material mit niedrigem Rekombinationskoeffizienten gebaut werden sollte, um eine hohe Dissoziation des Gases sicherzustellen. Most of these processes require a plasma with the highest possible density of ions or neutral atoms. If one wants to achieve a high density of neutral atoms or ions with a certain pressure, the plasma should be excited with the highest possible power, as described in the patent no. SI 21903 A that the plasma reactor should be constructed of a material with a low recombination coefficient to ensure a high dissociation of the gas.

Für eine maximale Übertragung der Leistung von dem HF-Generator in das Plasma werden Anpassungsnetzwerke verwendet. Anpassungsnetzwerke bestehen aus seriell oder parallel angeordneten passiven Elementen wie Kondensatoren und Spulen. Beispiele hierfür finden sich in mehreren Druckschriften, wie etwa für kapazitiv gekoppelte HF-Plasmareaktoren in EP 1812949 A2 , US 5815047 A und für induktiv gekoppelte Reaktoren in US 2002130110 A1 , US 5689215 A usw.Adaptive networks are used for maximum transmission of power from the RF generator to the plasma. Matching networks consist of serial or parallel passive elements such as capacitors and coils. Examples of this can be found in several publications, such as for capacitively coupled RF plasma reactors in EP 1812949 A2 . US 5815047 A and for inductively coupled reactors in US 2002130110 A1 . US 5689215 A etc.

Neben dem Anpassungsnetzwerk ist die Form der Anregungsspule bei dem induktiv gekoppelten HF-Plasma wichtig für die Leistungsübertragung zu dem Plasma und noch mehr für die Homogenität des Plasmas. Es existieren verschiedene Patente bzw. Druckschriften zu der Form des Anregungsplasmas. Zum Beispiel geben die Druckschriften US 5578165 A und US 2002096999 A1 Anregungsspulen und Verfahren zum Erzielen einer gleichmäßigeren Plasmadichte auf der planaren Achse an.Besides the matching network, the shape of the excitation coil in the inductively coupled RF plasma is important for the power transfer to the plasma and even more so for the homogeneity of the plasma. There are several patents or pamphlets on the shape of the excitation plasma. For example, give the pamphlets US 5578165 A and US 2002096999 A1 Excitation coils and methods for achieving a more uniform plasma density on the planar axis.

Eine in dem Patent US 6184488 B1 angegebene LILAC-Anregungsspule ist eine planare Spule zum Erzeugen von großen Plasmaoberflächen. Die Spule weist eine niedrige Induktivität auf, wodurch Probleme mit der Anpassungsimpedanz und der maximalen Leistungsübertragung reduziert werden.One in the patent US 6184488 B1 The indicated LILAC excitation coil is a planar coil for generating large plasma surfaces. The coil has a low inductance, which reduces problems with matching impedance and maximum power transfer.

Die kapazitive Komponente der Übertragung einer HF-Leistung in das Plasma stellt häufig auch ein Problem bei einem induktiv gekoppelten Plasma dar. Obwohl das Plasma in dem durch die Spule erzeugten elektrischen Feld erzeugt wird, tritt auch eine kapazitive Komponente der Kopplung neben der induktiven Komponente auf, was jedoch zumeist unerwünscht ist. Es gibt zwei Lösungsmöglichkeiten für dieses Problem: die Verwendung einer faradayschen Abschirmung, die für eine planare Spule in US 2002023899 A1 und für eine herkömmliche Spule in WO 00/49638 A1 beschrieben wird, oder die Verwendung einer sogenannten schwebenden Spule. Die in US 5683539 A beschriebene schwebende Spule reduziert die kapazitive Komponente der Kopplung, weil sie von dem Hochfrequenzgenerator und dem Anpassungsnetzwerk durch einen Transformator getrennt ist und sich deshalb auf einem schwebenden Potential befindet.The capacitive component of the transfer of RF power into the plasma is also often a problem with inductively coupled plasma. Although the plasma is generated in the electric field generated by the coil, a capacitive component of the coupling occurs adjacent to the inductive component , which is mostly undesirable. There are two possible solutions to this problem: the use of a Faraday shield for a planar coil in US 2002023899 A1 and for a conventional coil in WO 00/49638 A1 or the use of a so-called floating coil. In the US 5683539 A floating coil reduces the capacitive component of the coupling because it is separated from the high frequency generator and the matching network by a transformer and is therefore at a floating potential.

Es wurden umfangreiche Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten zu planaren, induktiv gekoppelten Reaktoren durchgeführt, weil diese in ihrer Form den zuerst entwickelten kapazitiv gekoppelten Reaktoren ähnlich sind.Extensive investigations and development work on planar, inductively coupled reactors have been carried out because they are similar in shape to the first developed capacitively coupled reactors.

Es bleiben jedoch viele noch nicht untersuchte und gelöste Probleme wie etwa die Übertragung einer maximalen Leistung, die Homogenität des Plasmas und die Verminderung der kapazitiven Kopplung in großen Plasmasystemen, in denen die Anregungsspule um das Rohr des Reaktors gewunden ist. Aufgrund eines großen Durchmessers der Spule kann die Induktivität schnell sehr hoch werden, was ein Problem für das Anpassungsnetzwerk oder für die Effizienz des Generators darstellt.However, there remain many problems that have not yet been investigated and solved, such as the transmission of maximum power, the homogeneity of the plasma and the reduction of capacitive coupling in large plasma systems in which the excitation coil is wound around the reactor tube. Due to a large diameter of the coil, the inductance can quickly become very high, which poses a problem for the matching network or for the efficiency of the generator.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für die Optimierung der Übertragung von elektromagnetischer Leistung von einem Hochfrequenzgenerator in ein Gasplasma anzugeben. Die hier angegebene Vorrichtung basiert auf einer speziell entworfenen Anregungsspule, die zwei oder mehr parallel verbundene Spulen umfasst, die zueinander versetzt sind, sodass die Windungen der einzelnen Spulen einander nicht überlappen.It is an object of the invention to provide an apparatus for optimizing the transmission of electromagnetic power from a high frequency generator to a gas plasma. The device disclosed herein is based on a specially designed excitation coil comprising two or more parallel connected coils offset from one another so that the turns of the individual coils do not overlap each other.

Die Vorrichtung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas wird mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.The apparatus for exciting a high-frequency gas plasma will be described with reference to the accompanying drawings.

1 ist ein Vakuumdiagramm eines Plasmasystems. 1 is a vacuum diagram of a plasma system.

2 zeigt einen Anregungsteil gemäß einer Ausführungsform. 2 shows an excitation part according to an embodiment.

3 zeigt eine doppelte Anregungsspule der Ausführungsform. 3 shows a double excitation coil of the embodiment.

4 zeigt Messungen der Spannung an einer herkömmlichen Anregungsspule und an der doppelten Anregungsspule gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Leistung des Generators. 4 shows measurements of the voltage across a conventional excitation coil and the double excitation coil according to the invention in dependence on the power of the generator.

5 zeigt Messungen der Intensität des ausgestrahlten Lichts in der Mitte der herkömmlichen Anregungsspule und der doppelten Anregungsspule gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Spannung an der Anregungsspule bei einem Druck von 10 Pa. 5 Figure 12 shows measurements of the intensity of the emitted light in the center of the conventional excitation coil and the double excitation coil according to the invention as a function of the voltage at the excitation coil at a pressure of 10 Pa.

6 zeigt Messungen der Intensität des ausgestrahlten Lichts in der Mitte der herkömmlichen Anregungsspule und der doppelten Anregungsspule gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Spannung an der Anregungsspule bei einem Druck von 40 Pa. 6 shows measurements of the intensity of the emitted light in the middle of the conventional excitation coil and the double excitation coil according to the invention as a function of the voltage at the excitation coil at a pressure of 40 Pa.

Das Diagramm von 1 zeigt den Vakuumteil des Plasmasystems gemäß der Ausführungsform. Das Vakuumsystem besteht aus einer Vakuumpumpe 1, einem Ventil 2, einem Lufteinlassventil 3, einem Quarzentladungsrohr 4, einer Absolutdruckmesseinrichtung 5, einem genauen Dosierungsventil 6 und einer Gasflasche 7. Die Vakuumpumpe 1 und das Gaszuführsystem mit dem Ventil 6 und der Gasflasche 7 stellen einen Druck in dem Entladungsrohr 4 zwischen 1 Pa und 104 Pa und vorzugsweise zwischen 10 Pa und 1000 Pa sicher. Das Entladungsrohr 4 der Ausführungsform ist wesentlich größer als in herkömmlichen Laborplasmasystemen, wobei sein Durchmesser 200 mm beträgt und seine Länge 2000 mm beträgt. Das Rohr ist aus Quarz ausgebildet und kann somit höheren Temperaturen standhalten, die durch Rekombinationen von Atomen und Neutralisierungen von geladenen Partikeln an den Wänden des Reaktors verursacht werden. The diagram of 1 shows the vacuum part of the plasma system according to the embodiment. The vacuum system consists of a vacuum pump 1 , a valve 2 , an air inlet valve 3 a quartz discharge tube 4 , an absolute pressure measuring device 5 , a precise dosing valve 6 and a gas bottle 7 , The vacuum pump 1 and the gas supply system with the valve 6 and the gas bottle 7 put a pressure in the discharge tube 4 between 1 Pa and 10 4 Pa, and preferably between 10 Pa and 1000 Pa. The discharge tube 4 the embodiment is significantly larger than in conventional laboratory plasma systems, wherein its diameter is 200 mm and its length is 2000 mm. The tube is made of quartz and thus can withstand higher temperatures caused by recombinations of atoms and neutralization of charged particles on the walls of the reactor.

Der in 2 gezeigte elektrische Teil bzw. Anregungsteil der Vorrichtung besteht aus einem Hochfrequenzgenerator 8, einem Koaxialkabel 9, einem Anpassungsnetzwerk 10 und einer Anregungsspule 11, 12. Der Hochfrequenzgenerator 8 kann in dem Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 310 MHz betrieben werden. In der Ausführungsform wird ein 8-kW-Hochfrequenzgenerator 8 verwendet, der bei einer Frequenz von 27,12 MHz betrieben wird. Das Anpassungsnetzwerk 10 ist über das Koaxialkabel 9 mit dem Hochfrequenzgenerator 8 verbunden. Das Anpassungsnetzwerk 10 besteht aus zwei variablen Hochfrequenz-Hochspannungs-Vakuumkondensatoren, deren Kapazität mittels Servos unter der Steuerung des Hochfrequenzgenerators 8 geändert wird. Die Verbindung der Kondensatoren kann gewechselt werden, indem die Verbindungsplatte bewegt wird.The in 2 shown electrical part or excitation part of the device consists of a high-frequency generator 8th , a coaxial cable 9 , an adaptation network 10 and an excitation coil 11 . 12 , The high frequency generator 8th can be operated in the frequency range between 100 kHz and 310 MHz. In the embodiment, an 8 kW high frequency generator 8th used operating at a frequency of 27.12 MHz. The customization network 10 is over the coaxial cable 9 with the high frequency generator 8th connected. The customization network 10 consists of two variable high frequency high voltage vacuum capacitors whose capacity is controlled by servos under the control of the high frequency generator 8th will be changed. The connection of the capacitors can be changed by moving the connection plate.

In der Ausführungsform ist die doppelte Anregungsspule 11, 12, die den zentralen Bestandteil der Erfindung ausmacht, mit dem Anpassungsnetzwerk 10 verbunden. Die doppelte Anregungsspule 11, 12 besteht aus zwei parallel verbundenen, überlappenden Anregungsspulen 11 und 12. Gemäß der Erfindung werden wenigstens zwei Anregungsspulen 11 und 12 verwendet, sodass also auch mehr als zwei Anregungsspulen verwendet werden können. Die Anregungsspulen 11 und 12 weisen beide den gleichen Durchmesser auf und überlappen einander, sodass sie dieselbe Achse aufweisen können und nur am Anfang und am Ende in Kontakt sind, wo sie mit dem Anpassungsnetzwerk verbunden sind. Die Anregungsspulen 11 und 12 müssen entlang der gemeinsamen Achse um 1/N der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen versetzt werden, wobei N gleich der Anzahl der Anregungsspulen 11, 12 ist. Wenn also zwei Anregungsspulen 11 und 12 vorgesehen sind, winden sich die Windungen der zweiten Anregungsspule 12 in der Mitte zwischen den Windungen der ersten Anregungsspule 11, sodass also die zweite Anregungsspule 12 entlang der gemeinsamen Achse um 1/2 der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen versetzt ist. Wenn drei Anregungsspulen 11, 12 verwendet werden, sind diese entlang der gemeinsamen Achse um 1/3 der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen versetzt, usw. Die Anregungsspulen 11, 12 müssen um wenigstens die Breite des Bandes jeder einzelnen Anregungsspule 11, 12 versetzt sein.In the embodiment, the double excitation coil 11 . 12 , which constitutes the central part of the invention, with the matching network 10 connected. The double excitation coil 11 . 12 consists of two parallel connected, overlapping excitation coils 11 and 12 , According to the invention, at least two excitation coils 11 and 12 used, so that more than two excitation coils can be used. The excitation coils 11 and 12 both have the same diameter and overlap one another so that they can have the same axis and are only in contact at the beginning and end where they are connected to the matching network. The excitation coils 11 and 12 must be offset along the common axis by 1 / N of the distance between two consecutive turns, where N equals the number of excitation coils 11 . 12 is. So if two excitation coils 11 and 12 are provided, wind the turns of the second excitation coil 12 in the middle between the turns of the first excitation coil 11 so that so the second excitation coil 12 along the common axis offset by 1/2 the distance between two consecutive turns. If three excitation coils 11 . 12 are used, these are offset along the common axis by 1/3 of the distance between two consecutive turns, etc. The excitation coils 11 . 12 must be at least the width of the band of each excitation coil 11 . 12 be offset.

Die Anregungsspulen 11, 12 sind alle in derselben Richtung gewunden, sodass die Windungen jeder Anregungsspule 11, 12 parallel zu den Windungen jeder anderen Anregungsspule 11, 12 verlaufen. Obwohl also die Anregungsspulen 11, 12 einander überlappen, überlappen und kontaktieren die Windungen der einzelnen Anregungsspulen 11, 12 einander nicht. Weil alle Spulen denselben Durchmesser aufweisen, befinden sie sich in derselben Ebene. Die Anzahl der Windungen der einzelnen Anregungsspulen 11, 12 beträgt zwischen 2 und 100. Die Anzahl der Windungen an jeder Anregungsspule 11, 12 kann gleich sein, wobei aber auch andere oder zusätzliche Anregungsspulen 12 eine Windung weniger als die erste Anregungsspule 11 aufweisen können. Auch in diesem Fall gilt, dass die Windungen der Anregungsspulen 11, 12 einander nicht überlappen. Der einzige Grund für die eine Windung weniger an den anderen oder zusätzlichen Anregungsspulen 12 ist darin gegeben, dass die Gesamtlänge der doppelten Anregungsspule 11, 12 nicht mit der Anzahl N von Anregungsspulen 11, 12 größer wird, sodass also die Länge der doppelten Anregungsspule 11, 12 unabhängig von der Anzahl N gleich der Länge der ersten Anregungsspule 11 bleibt.The excitation coils 11 . 12 are all wound in the same direction, so that the turns of each excitation coil 11 . 12 parallel to the turns of each other excitation coil 11 . 12 run. So although the excitation coils 11 . 12 overlap, overlap and contact the turns of the individual excitation coils 11 . 12 not each other. Because all coils have the same diameter, they are in the same plane. The number of turns of the individual excitation coils 11 . 12 is between 2 and 100. The number of turns on each excitation coil 11 . 12 may be the same, but with other or additional excitation coils 12 one turn less than the first excitation coil 11 can have. Also in this case, the turns of the excitation coils 11 . 12 do not overlap each other. The only reason for one turn less to the other or additional excitation coils 12 is given in that the total length of the double excitation coil 11 . 12 not with the number N of excitation coils 11 . 12 becomes larger, so that is the length of the double excitation coil 11 . 12 regardless of the number N equal to the length of the first excitation coil 11 remains.

Die doppelte Anregungsspule 11, 12 ist aus einem Band mit einem Widerstand von höchstens 100 Ω für Gleichstrom ausgebildet, wobei die Breiten der Bänder, aus denen die einzelnen Anregungsspulen 11, 12 ausgebildet sind, gleich sind. Die Breite des Bands jeder einzelnen Anregungsspule 11, 12 beträgt zwischen 1 mm und 10 cm. Das Band ist um das Quarzentladungsrohr 4 gewunden, sodass es das Rohr mit einer möglichst großen Fläche berührt. Der Durchmesser D der einzelnen Anregungsspulen 11, 12, die die doppelte Anregungsspule 11, 12 bilden, ist also gleich dem Außendurchmesser des Rohrs und beträgt in der Ausführungsform 200 mm. Die Länge der Windungen jeder einzelnen Spule 11, 12 kann von dem Vielfachen eines Viertels der elektromagnetischen Wellenlänge, die von dem Hochfrequenzgenerator 8 ausgeht, um nicht mehr als 20% abweichen.The double excitation coil 11 . 12 is formed of a band with a maximum resistance of 100 Ω for direct current, with the widths of the bands that make up the individual excitation coils 11 . 12 are trained, are the same. The width of the band of each excitation coil 11 . 12 is between 1 mm and 10 cm. The band is around the quartz discharge tube 4 wound, so that it touches the pipe with the largest possible area. The diameter D of the individual excitation coils 11 . 12 containing the double excitation coil 11 . 12 form, that is equal to the outer diameter of the tube and is 200 mm in the embodiment. The length of the turns of each coil 11 . 12 may be from the multiple of a quarter of the electromagnetic wavelength emitted by the high frequency generator 8th assumes not to deviate more than 20%.

In der in 3 gezeigten Ausführungsform werden zwei parallele, überlappende Anregungsspulen 11, 12 verwendet, die aus einem 25 mm breiten und 0,4 mm dicken Kupferstreifen ausgebildet sind. Der Kupferstreifen ist derart um das Quarzentladungsrohr 4 gewunden, dass er das Rohr mit einer möglichst großen Fläche berührt. Die erste Anregungsspule 11 weist 5 Windungen auf, und die überlappende zweite Anregungsspule 12 weist 4 Windungen auf. Die Kupferstreifenwindungen der zweiten Anregungsspule 12 überlappen die Windungen der ersten Anregungsspule 11 nicht. Die Distanz zwischen den Rändern der Kupferstreifen der ersten Anregungsspule 11 und der zweiten Anregungsspule 12 beträgt in der Ausführungsform ungefähr 60 mm. Die Gesamtlänge der doppelten Anregungsspule 11 und 12 der Ausführungsform beträgt 800 mm.In the in 3 In the embodiment shown, two parallel, overlapping excitation coils 11 . 12 used, which are formed of a 25 mm wide and 0.4 mm thick copper strip. The copper strip is so around the quartz discharge tube 4 wound, that he touches the pipe with the largest possible surface. The first excitation coil 11 has 5 turns, and the overlapping second excitation coil 12 has 4 turns. The copper strip turns of the second excitation coil 12 overlap the turns of the first excitation coil 11 Not. The distance between the edges of the copper strips of the first excitation coil 11 and the second excitation coil 12 is about 60 mm in the embodiment. The total length of the double excitation coil 11 and 12 The embodiment is 800 mm.

In 4–6 sind Messungen in einem Sauerstoffplasma, das in einer herkömmlichen Anregungsspule 11 mit einer Länge von 800 mm und 5 Windungen erzeugt wird, im Vergleich zu Messungen in einem Plasma, das durch die doppelte Anregungsspule 11, 12 gemäß der Erfindung erzeugt wird, wiedergegeben.In 4 - 6 are measurements in an oxygen plasma that in a conventional excitation coil 11 with a length of 800 mm and 5 turns is generated, compared to measurements in a plasma by the double excitation coil 11 . 12 is produced according to the invention reproduced.

4 zeigt Messungen der Spannung an den Verbindungen der herkömmlichen Anregungsspule 11 und der doppelten Anregungsspule 11, 12 gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Leistung des Hochfrequenzgenerators. Die Spannung an der doppelten Anregungsspule 11, 12 wurde mit einem Hochspannungs-Messfühler 13 gemessen und mittels eines Oszilloskops 14 gelesen. Die Kurven zeigen, dass eine höhere Spannung für die Übertragung derselben Leistung erforderlich ist, wenn nur die herkömmliche Anregungsspule 11 verwendet wird. Unter Verwendung der doppelten Anregungsspule 11 und 12 gemäß der Erfindung wird die Spannung im Vergleich zu der herkömmlichen Spule 11 reduziert, was in technischer Hinsicht sehr vorteilhaft ist. 4 shows measurements of the voltage at the connections of the conventional excitation coil 11 and the double excitation coil 11 . 12 according to the invention as a function of the power of the high-frequency generator. The voltage at the double excitation coil 11 . 12 was using a high voltage sensor 13 measured and by means of an oscilloscope 14 read. The curves show that a higher voltage is required for the transmission of the same power, if only the conventional excitation coil 11 is used. Using the double excitation coil 11 and 12 According to the invention, the voltage is compared to the conventional coil 11 reduced, which is very advantageous in technical terms.

Die Intensität des ausgestrahlten Lichts in der Mitte der Anregungsspule 11, 12 in Bezug auf die Spannung an der Anregungsspule 11, 12 und damit die Leistung des Hochfrequenzgenerators zeigt, dass das in der doppelten Anregungsspule 11, 12 gemäß der Erfindung erzeugte Plasma viel intensiver als das in der herkömmlichen Anregungsspule 11 erzeugte Plasma ist. 5 zeigt die Ergebnisse von Messungen der Intensität der Sauerstoffemissionslinien eines 777-nm- und 845-nm-Plasmas bei einem Druck von 10 Pa. Die Integrationszeit des optischen Spektrometers betrug 200 ms. Es ist zu beachten, dass die Intensität des ausgestrahlten Lichts des in der herkömmlichen Anregungsspule 11 erzeugten Plasmas ungefähr drei Mal niedriger ist als die Intensität des ausgestrahlten Lichts des in der doppelten Anregungsspule 11 und 12 mit den zwei parallelen, überlappenden Spulen 11, 12 erzeugten Plasmas.The intensity of the emitted light in the middle of the excitation coil 11 . 12 with respect to the voltage at the excitation coil 11 . 12 and thus the power of the high frequency generator shows that in the double excitation coil 11 . 12 Plasma produced according to the invention much more intense than that in the conventional excitation coil 11 generated plasma is. 5 Figure 4 shows the results of measurements of the intensity of the oxygen emission lines of a 777 nm and 845 nm plasma at a pressure of 10 Pa. The integration time of the optical spectrometer was 200 ms. It should be noted that the intensity of the emitted light is that of the conventional excitation coil 11 Plasma generated is about three times lower than the intensity of the emitted light in the double excitation coil 11 and 12 with the two parallel, overlapping coils 11 . 12 generated plasma.

6 zeigt dieselben Ergebnisse bei einem Druck von 40 Pa und einer Integrationszeit des Spektrometers von 100 ms. Die Differenz ist sogar noch deutlicher als bei dem Druck von 10 Pa. Die Intensität des Lichts in der doppelten Anregungsspule 11, 12 mit den zwei parallelen, überlappenden Spulen 11, 12 kann bei gleicher Spannung bis zu vier Mal höher sein als die Intensität des Lichts in der herkömmlichen Anregungsspule 11. 6 shows the same results at a pressure of 40 Pa and an integration time of the spectrometer of 100 ms. The difference is even more pronounced than at the pressure of 10 Pa. The intensity of the light in the double excitation coil 11 . 12 with the two parallel, overlapping coils 11 . 12 can be up to four times higher than the intensity of the light in the conventional excitation coil at the same voltage 11 ,

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas und insbesondere zum Übertragen einer elektromagnetischen Leistung von dem Hochfrequenzgenerator in das Gasplasma, wobei ein Hochfrequenzgenerator 8 in das System eingebunden ist, besteht aus einem Entladungsgefäß 4, um das eine Plasmaspule 11, 12 gewunden ist, einer Vakuumpumpe 1, einem genauen Dosierungsventil 6 und einer Gasflasche 7, wobei der Hochfrequenzgenerator 8, ein Anpassungsnetzwerk 10 und die Plasmaspule 11, 12 seriell verbunden sind. Die Plasmaspule 11, 12 besteht aus zwei oder mehr Spulen, die parallel verbunden sind, sodass die Windungen der Spulen einander nicht überlappen und um eine gemeinsame Achse gewunden sind, wobei die Windungen der zweiten Spule zwischen den Windungen der ersten Spule angeordnet sind. Alle Spulen 11, 12 sind aus einem Band mit einem Widerstand von höchstens 100 Ω für Gleichstrom ausgebildet, wobei die Breiten der Bänder, aus denen die einzelnen Spulen 11, 12 ausgebildet sind, gleich sind und die Breite des Bands jeder einzelnen Spule 11, 12 zwischen 1 mm und 10 cm beträgt. Die Spulen 11, 12 sind zueinander entlang der gemeinsamen Achse um 1/N der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen, wobei N gleich der Anzahl der einzelnen Spulen ist, und wenigstens um die Breite des Streifens jeder einzelnen Spule 11, 12 versetzt. Jede einzelne Spule 11, 12 besteht aus wenigstens 2 und höchstens 100 Windungen. Die Anzahl der Windungen an allen Anregungsspulen 11, 12 ist entweder gleich, oder aber es weisen andere bzw. zusätzliche Anregungsspulen 12 eine Windung weniger auf als die erste Anregungsspule 11. Die Länge der Windungen jeder einzelnen Spule 11, 12 weicht von einem Vielfachen eines Viertels der elektromagnetischen Wellenlänge, die von dem Hochfrequenzgenerator 8 ausgeht, um nicht mehr als 20% ab. Der Hochfrequenzgenerator 8 wird in einem Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 310 MHz betrieben. Die Vakuumpumpe 1 und das Gaszuführsystem mit dem Ventil 6 und der Gasflasche 7 stellen einen Druck in dem Entladungsgefäß zwischen 1 Pa und 104 Pa und vorzugsweise zwischen 10 Pa und 1000 Pa sicher.The device according to the invention for the excitation of a high frequency gas plasma and in particular for transmitting an electromagnetic power from the high frequency generator into the gas plasma, wherein a high frequency generator 8th is integrated into the system, consists of a discharge vessel 4 to that a plasma coil 11 . 12 wound, a vacuum pump 1 , a precise dosing valve 6 and a gas bottle 7 , wherein the high frequency generator 8th , an adaptation network 10 and the plasma coil 11 . 12 connected in series. The plasma coil 11 . 12 consists of two or more coils connected in parallel so that the turns of the coils do not overlap each other and are wound around a common axis, with the turns of the second coil being interposed between the turns of the first coil. All coils 11 . 12 are made of a band with a maximum resistance of 100 Ω for direct current, with the widths of the bands that make up each coil 11 . 12 are formed equal and the width of the band of each coil 11 . 12 between 1 mm and 10 cm. The spools 11 . 12 are 1 / N of the distance between two successive turns along the common axis, where N equals the number of individual coils, and at least the width of the strip of each individual coil 11 . 12 added. Every single coil 11 . 12 consists of at least 2 and at most 100 turns. The number of turns on all excitation coils 11 . 12 is either the same or it has other or additional excitation coils 12 one turn less than the first excitation coil 11 , The length of the turns of each coil 11 . 12 differs from a multiple of a quarter of the electromagnetic wavelength emitted by the high frequency generator 8th not going down by more than 20%. The high frequency generator 8th is operated in a frequency range between 100 kHz and 310 MHz. The vacuum pump 1 and the gas supply system with the valve 6 and the gas bottle 7 ensure a pressure in the discharge vessel between 1 Pa and 10 4 Pa, and preferably between 10 Pa and 1000 Pa.

Claims (8)

Vorrichtung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas durch Übertragen einer elektromagnetischen Leistung von einem Hochfrequenzgenerator in ein Gasplasma, umfassend ein Entladungsgefäß (4), um das eine Plasmaspule (11, 12) gewunden ist, eine Vakuumpumpe (1), ein Dosierungsventil (6) und eine Gasflasche (7), wobei der Hochfrequenzgenerator (8), ein Anpassungsnetzwerk (10) umfassend zwei variable Hochfrequenz-Hochspannungs-Vakuumkondensatoren, deren Kapazität mittels Servos unter der Steuerung des Hochfrequenzgenerators (8) geändert wird, und die Plasmaspule (11, 12) seriell verbunden sind, wobei die Plasmaspule (11, 12) aus zwei oder mehr parallel verbundenen Spulen besteht, sodass die Windungen der Spulen einander nicht überlappen und um eine gemeinsame Achse gewunden sind, wobei die Windungen der zweiten Spule zwischen den Windungen der ersten Spule angeordnet sind.Apparatus for exciting a high-frequency gas plasma by transmitting an electromagnetic power from a high-frequency generator into a gas plasma, comprising a discharge vessel ( 4 ) to the one plasma coil ( 11 . 12 ), a vacuum pump ( 1 ), one Dosing valve ( 6 ) and a gas cylinder ( 7 ), wherein the high-frequency generator ( 8th ), an adaptation network ( 10 ) comprising two variable high-frequency high-voltage vacuum capacitors whose capacity is controlled by means of servos under the control of the high-frequency generator ( 8th ), and the plasma coil ( 11 . 12 ) are connected in series, the plasma coil ( 11 . 12 ) consists of two or more coils connected in parallel, so that the turns of the coils do not overlap each other and are wound around a common axis, wherein the turns of the second coil are arranged between the turns of the first coil. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spulen (11, 12) aus einem Band mit einem elektrischen Widerstand von höchstens 100 Ω für Gleichstrom ausgebildet sind, wobei die Breiten der Bänder, aus denen die einzelnen Spulen (11, 12) ausgebildet sind, gleich sind und die Breite des Bands jeder einzelnen Spule (11, 12) zwischen 1 mm und 10 cm beträgt.Device according to claim 1, characterized in that all coils ( 11 . 12 ) are formed of a band with an electrical resistance of at most 100 Ω for direct current, wherein the widths of the bands from which the individual coils ( 11 . 12 ) are equal, and the width of the band of each coil ( 11 . 12 ) is between 1 mm and 10 cm. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (11, 12) zueinander entlang der gemeinsamen Achse um 1/N der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen jeder der einzelnen Spulen (11, 12), wobei N gleich der Anzahl der einzelnen Spulen ist, und wenigstens um die Breite des Bandes jeder einzelnen Spule (11, 12) versetzt sind.Device according to claim 1 and 2, characterized in that the coils ( 11 . 12 ) to each other along the common axis by 1 / N of the distance between two consecutive turns of each of the individual coils ( 11 . 12 ), where N equals the number of individual coils, and at least the width of the band of each individual coil ( 11 . 12 ) are offset. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede einzelne Spule (11, 12) aus wenigstens 2 und höchstens 100 Windungen besteht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that each individual coil ( 11 . 12 ) consists of at least 2 and at most 100 turns. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Windungen an allen Anregungsspulen (11, 12) entweder gleich ist oder aber andere bzw. zusätzliche Anregungsspulen (12) eine Windung weniger aufweisen als die erste Anregungsspule (11).Apparatus according to claim 4, characterized in that the number of turns on all excitation coils ( 11 . 12 ) is either the same or else other or additional excitation coils ( 12 ) have one turn less than the first excitation coil ( 11 ). Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Windungen jeder einzelnen Spule (11, 12) von einem Vielfachen eines Viertels der elektromagnetischen Wellenlänge, die von dem Hochfrequenzgenerator (8) ausgeht, um nicht mehr als 20% abweicht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the turns of each individual coil ( 11 . 12 ) of a multiple of a quarter of the electromagnetic wavelength emitted by the high frequency generator ( 8th ) does not deviate by more than 20%. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzgenerator (8) in einem Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 310 MHz betrieben wird.Device according to Claim 1, characterized in that the high-frequency generator ( 8th ) is operated in a frequency range between 100 kHz and 310 MHz. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (1) und das Gaszuführsystem mit dem Ventil (6) und der Gasflasche (7) einen Druck in dem Entladungsgefäß (4) zwischen 1 Pa und 104 Pa und vorzugsweise zwischen 10 Pa und 1000 Pa sicherstellen.Apparatus according to claim 1, characterized in that the vacuum pump ( 1 ) and the gas supply system with the valve ( 6 ) and the gas cylinder ( 7 ) a pressure in the discharge vessel ( 4 ) between 1 Pa and 10 4 Pa and preferably between 10 Pa and 1000 Pa.
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