DE19608949A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von leistungsfähigen Mikrowellenplasmen - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung von leistungsfähigen MikrowellenplasmenInfo
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Description
Mikrowellenplasmen werden in technischen Bereichen wie z. B. der Herstellung bzw.
Bearbeitung von Bauteilen, in der Mikroelektronik, bei der Beschichtung, in der
Gaszersetzung, der Stoffsynthese oder der Materialreinigung eingesetzt.
In den Vorrichtungen werden die Mikrowellen in die Plasmakammer mit dem darin
befindlichen Rezipienten d. h. Nutzraum aus einem Mikrowellenerzeuger ggf. über
eine Zuleitung zu einem Hohlleiterresonator mittels Koppelstellen geleitet. Üblich sind
besonders Ringresonatoren, d. h. ringförmig ausgebildete Hohlleiterresonatoren mit
geringer Länge entlang ihrer Achse, verglichen mit dem relativ großen Durchmesser
des Querschnitts des Resonatorrings. Häufig hat die Achse des Ringresonators und
die Achse des in diesem Falle z. B. als Rohr ausgebildeten Plasmakammer die
gleiche oder eine gemeinsame z-Achse.
Nach DE 196 00 223.0-33 hat der Resonatorring einen rechteckigen Querschnitt
und die Koppelstellen liegen z. B. als Schlitze in der kurzen Querschnittsseite. Solche
Vorrichtungen zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen besitzen gute Wirksamkeit. Es
besteht jedoch Bedarf nach homogeneren und leistungsfähigeren Plasmakammern
und einfacher gestalteten Vorrichtungen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Vorrichtung zur Erzeugung von
Mikrowellenplasmen, deren Resonator als Koaxial-Resonator mit Innen- und
Außenleiter ausgebildet ist. Soweit Leiter ganz oder teilweise die Innen- und
Außenabgrenzung des Resonators bilden, ist deren Form und die Form der Leiter
beliebig. Beide Leiter haben bevorzugt eine ähnliche, gleichartige, oder gleiche
Achsenrichtung oder eine gemeinsame Achse z.
Die Fertigung erfolgt aus Hohlprofilen, vorzugsweise z. B. Walzprofilen, gestreckter
Art, die als koaxialer Leiter ineinander angeordnet sind und an den Enden
abgeschlossen oder offen sein können. Einfach gestaltbare Beispiele sind zwei Rohre
bzw. Zylinder beliebiger, auch eckiger Grundfläche, die ineinander angeordnet sind.
Ein Draht oder massiver Zylinder als Innenleiter ist bevorzugt, wenn nur über den
Außenleiter gekoppelt wird.
Der Resonator kann im wesentlichen die gleiche Achse in z-Richtung wie die
Plasmakammer besitzen und Resonator und Plasmakammer können entlang der
z-Richtung gleich lang oder nicht gleich lang ausgebildet sein.
Alle Bauteile können auch mehrfach in der Apparatur enthalten sein.
Die Erfindung geht also ab von schmal ausgebildeten Resonatorringen von
verschiedener Form des Querschnitts, die etwa die Form eines Fingerrings haben,
der den Finger einer Hand umfaßt. Statt dessen ist der Resonator erfindungsgemäß
langgestreckt und kann z. B. als Hülle wie der Raum einer Fingerhülle des
Handschuhs um den Finger auf im wesentlichen ganzer Länge in Richtung der
z-Achse ausgebildet sein. Plasmakammer und Resonator sind erfindungsgemäß nicht
an eine bestimmte Form der Hohlkörper gebunden. Der Innen- und Außenleiter des
Koaxial-Resonators besitzt sehr bevorzugt im wesentlichen mit ihrer langen oder
längsten Achse, genannt z-Achse, im wesentlichen die gleiche Richtung. Bevorzugt
ist die gleiche Richtung der Achsen von Kammer und Resonator, eine gemeinsame
oder parallele Achse, jedoch ist auch ein geringer Winkel oder eine Verkippung bis zu
90° zwischen den Achsen beider Bauteile möglich.
Koaxiale Leiter aus flexiblen Metallschläuchen hergestellt, z. B. als Wendelstreifen
oder ineinander greifenden Ringen sind möglich, wobei zwei ineinander angeordnete
Schläuche oder ein Schlauch gewendelt um z. B. eine rohrförmige oder eiförmige
Kammer als der eine Leiter, den Resonator bilden. Die Wand der Plasmakammer
kann der eine Leiter sein, wobei die Form der Plasmakammer beliebig ist, aber
stetige Ausbildung als Rohr, Kugel oder Zylinder bevorzugt sind.
In allen Fällen können Kammer und Resonator gleich oder ungleich lang sein, wobei
eine oder auch mehrere Kammern, ein oder mehrere Koaxial-Resonatoren oder
geteilte Kammern oder Koaxial-Resonatoren ausgebildet sein können.
Koppelstellen als z. B. Antennen oder bevorzugt als Schlitze bzw. Aussparungen
können an den Wandungen des Koaxialresonators, d. h. an den mit der Kammer
gemeinsamen Wänden, in beliebiger Zahl, bevorzugt in der für die jeweils gewählte
Plasmamode benötigten Zahl, Geometrie und Anordnung angeordnet sein.
Die Mikrowellenquelle kann direkt, über ggf. geregelte Zuleitung oder über einen
weiteren Resonator an einer beliebigen Stelle des Koaxial-Resonators, auch an der
Innenabgrenzung, angeordnet sein.
Gemäß dieser Erfindung besteht nicht mehr die Notwendigkeit, die Kammer nur
innerhalb des Resonators anzuordnen. Eine im Innenleiter ganz oder teilweise
angeordnete Innenkammer ist möglich, auch eine Außenkammer und ggf. sowohl
eine oder mehrere Außenkammern und ein oder mehrere Innenkammern mit jeweils
darin angeordnetem Nutzraum bzw. Rezipienten mit dielektrischen Wandungen von
beliebiger Gestalt.
Der Koaxial-Resonator der Erfindung ermöglicht somit eine Vielfalt der Gestalt und
Ausbildung. Auch die Plasmakammer kann der oder ein zusätzlicher Resonator oder
dessen Teil sein. Bevorzugt ist hierbei die Ausbildung der Plasmakammer als
Zylinderresonator und die damit verbundene Ausbildung bestimmter Moden.
Für die Moden der jeweiligen Art sind bestimmte apparative und geometrische
Ausbildungen der Vorrichtung besonders geeignet. Eine TEM- oder TMn1-Mode im
Koaxial-Resonator bildet sich optimal zwischen zwei bevorzugt zylindrischen
elektrisch leitenden Rohren von unterschiedlichem Durchmesser. Darin sind auch
beliebige TEnm oder TMnm Feldverteilungen möglich. Die Länge beider Rohre beträgt
bevorzugt ein vielfaches der halben Leitungs-Wellenlänge der verwendeten
Mikrowelle. An beiden Enden sind dann die Rohre elektrisch leitend begrenzt, z. B.
durch eine Wand, gasdurchlässiges Gitter oder einen Kurzschlußschieber.
Der bzw. die Rezipienten, wie üblich aus dielektrischem Material, können gemäß der
Erfindung großvolumig sein und bei Teilung verschiedenen Aufgaben dienen. Im Falle
eines großräumigen außen angeordneten Rezipienten ist eine metallische
Abschlußwand nicht zwingend erforderlich.
Permanentmagnete oder Spulenanordnungen z. B. nach Helmholz um das jeweils
äußere Rohr oder die metallene Außenwand ermöglichen in der Kammer die
Bedingungen für Elektronen Zyklotron Resonanz Plasmen. Eine Anordnung von
Magneten im Innenleiter des Koaxial-Resonators ist ebenso möglich.
Fig. 1 zeigt in Fig. 1a einen Schnitt durch eine Vorrichtung entlang der z-Achse, Fig. 1b
die dazugehörige Aufsicht. Dargestellt ist eine Vorrichtung mit Innenwand 2 und
Außenwand 3 eines rohrförmigen Koaxial-Resonators mit Mikrowellenquelle 4, die in
den Resonator zwischen 2 und 3 einkoppelt, und Rezipienten 1. In Fig. 1 sind zwei
Koppelschlitze 5 als umlaufende Schlitze in der Innenwand 2 ausgeführt; diese
stehen somit senkrecht zur z-Achse der Vorrichtung. Koaxial-Resonator und
innenliegende Plasmakammer, die als Zylinderresonator ausgeführt ist, zeigen in
diesem Ausführungsbeispiel gleiche Länge in z-Richtung. 10 ist ein optionales z. B.
metallisches Gitter, welches die Plasmakammer in zwei Kammern aufteilt. Im oberen
bzw. unteren Abschluß der Plasmakammer sind Öffnungen 6 für die Zu- bzw. Abfuhr
von z. B. Prozeßgasen eingezeichnet.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Vorrichtung wie Fig. 1, jedoch sind hier die Koppelstellen 5
als Längsschlitze in der Wand des inneren Koaxialleiters angeordnet und verlaufen
somit parallel zur z-Achse der Vorrichtung. Weiterhin sind in Fig. 2 einige
Abstimmöglichkeiten von Koaxial-Resonator und Plasmakammer exemplarisch
aufgeführt. Der Abschlußschieber 7 dient zur Abstimmung des Koaxial-Resonators.
Der Abstimm-Stift bzw. Schraube 8 dient dem gleichen Zweck. Die Lage und Anzahl
solcher Abstimmelemente kann nach Bedarf variiert werden. Der Abstimm-Stift 9
zeigt eine Abstimmöglichkeit für die Plasmakammer. Eine ähnliche Funktion hat auch
ein hier nicht gezeigter Abschlußschieber, der die Länge der Plasmakammer
verändert. Die Pfeile in der Figur geben die Bewegungsrichtung der
Abstimmelemente an.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Vorrichtung mit außenliegender, hier nicht
vollständig dargestellter Plasmakammer. Der Mikrowellenerzeuger 4 ist im Inneren
des Innenleiters 2 des Koaxial-Resonators angebracht. Die Koppelstellen 5 sind als
drei azimutale, teilweise umlaufende Koppelschlitze in der Außenwand des Koaxial-
Resonators ausgeführt.
In Fig. 4 sind weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung skizziert, wobei in Fig. 4a
ein Schnitt durch eine Vorrichtung mit sowohl innerer Plasmakammer 11 als auch
außenliegender Kammer 12 dargestellt ist. Bei Bedarf können die Plasmakammern
11, 12 mit Rezipienten ausgestattet werden.
Fig. 4b zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung, bei der die Mikrowelle in einen
Zylinderresonator 13 direkt eingekoppelt wird und dieser Resonator über einen
umlaufenden azimuthalen Schlitze mit dem Koaxial-Resonator gekoppelt ist. Die
Einkopplung in die als weiterer Zylinderresonator ausgebildete Plasmakammer 11 mit
Rezipient 1 erfolgt über weitere Koppelschlitze.
Fig. 4c zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung, worin ein z. B. schraubenförmig
gewendelter Koaxial-Resonator mit Außenleiter 3 und gleichartig gewendeltem z. B.
als Draht ausgebildeter Innenleiter 2 in einer zylindrischen Kammer 12 liegt. Eine
Bauform, bei der der Koaxial-Resonator in gewendelter bzw. gewickelter Form mit
dem Außenleiter eine Kammer ganz oder teilweise umschließt, d. h. wie z. B. eine
Band oder eine Schnur eine Kammer umwickelt ist ebenfalls möglich.
Fig. 4d zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung, mit kugelförmiger Plasmakammer
11. Die Antenne des Mikrowellenerzeugers 4 ist direkt mit dem Innenleiter 2 des
Koaxial-Resonators verbunden. Der Außenleiter 3 ist zum Mikrowellenerzeuger 4 hin
kegelförmig verjüngt. Über einen azimutalen Koppelschlitz 5 wird die
Mikrowellenleistung in die Plasmakammer gekoppelt.
Claims (17)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen mit Mikrowellenerzeuger,
Resonator mit Koppelstellen, Plasmakammer und ggf. Rezipienten bestehend
aus einem Resonator, dessen Außen- und Innenabgrenzung als Außen- und
Innenleiter eines Koaxial-Resonators mit oder ohne geometrische
Vorzugsrichtung ausgebildet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Plasmakammer vom Resonator ganz oder teilweise umfaßt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator
von der Plasmakammer ganz oder teilweise umfaßt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb
und/oder außerhalb des Resonators eine oder mehr Kammern angeordnet
sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koaxial-
Resonator und die Plasmakammer gleiche Vorzugsrichtung haben.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Koaxial-Resonator und die Plasmakammer gleich lang ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Koaxial-Resonator und die Plasmakammer verschieden lang ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Koppelstellen für die Ein- bzw. Auskopplung der
Mikrowellen von dem Resonator in bzw. an den Wandungen des Koaxial-
Resonators angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Koppelstellen in
oder an der gemeinsamen Wand von Kammer und Resonator ausgebildet
sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstellen
Stabantennen oder/und Schlaufen oder/und Schlitze oder/und Aussparungen
sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Plasmakammer geteilt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Plasmakammer durch Trennung senkrecht zur Vorzugsrichtung geteilt ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Plasmakammer als Resonator oder als zusätzlicher
Resonator ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer als
Zylinderresonator ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Zuleitungen der Mikrowelle an ein oder
mehrere Koaxial-Resonatoren ausgebildet sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Koaxial-Resonatoren über
Koppelstellen an eine oder mehrere Plasmakammern angekoppelt sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der oder die Koaxial-Resonatoren oder/und der oder die
Plasmakammern teilweise oder ganz mit einem Dielektrikum z. B. Teflon oder
Quarzglas gefüllt sind.
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