DE19726663A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von homogenen Mikrowellenplasmen - Google Patents

Description

Plasmen von verschiedener Art werden nach zahlreichen Verfahren mit verschiedenartigen Vorrichtungen erzeugt. Die Plasmabehandlung dient z. B. der Beschichtung, Reinigung, Mo­ difizierung und Ätzung von Substraten, zur Behandlung von medizinischen Implantaten, zur Umsetzung von Gasen sowie in der Technik zur Abgasreinigung. Die Geometrie der zu be­ handelnden Werkstücke reicht von flachen Substraten, Fasern, Bahnen bis zu Formteilen von beliebiger Gestalt. Die Größe der Plasmakammer und damit der Werkstücke ist be­ grenzt. Bahnförmige Materialien und Faserbündel sind nur schwer bearbeitbar.

Bekannte Vorrichtungen besitzen z. B. als Resonator ausbildbare äußere Ringe. Für die Zu­ leitung der Mikrowellen werden u. a. Hohlleiter und Koaxialkabel, als Koppelstellen in der Wand der Plasmakammer u. a. Antennen z. B. Schlitze verwendet.

Nachteil der bekannten Vorrichtungen sind die Bildungen von Inhomogenitäten im Plasma besonders bei hohen Drücke und größeren Plasmakammern bzw. Substraten.

Es bestand daher die Aufgabe ein homogenes Plasma zu erzeugen und eine homogene Plasmabehandlung zu ermöglichen.

Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Mikrowellen über eine zylindrische Kammer und über Koppelstellen in der zylindrischen Wand dieser Kammer (2) homogen in die der Bearbeitung dienende Plasmakammer einzuführen. Die Plasmakammer ist dann außen, die zylindrische Wand der Kammer (2) ganz oder teilweise umfassend auszubilden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen mit Mikrowellenerzeuger (i), zuleitender Kammer (2) mit Koppelstellen (6) in der Wand zwi­ schen zuleitender Kammer (2) und Plasmakammer (3) sowie ggf. Rezipienten, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mikrowellenzuleitende Kammer (2) zylinderförmig ausgebildet ist.

Die Stirnflächen der Kammer (2) sind bevorzugt nicht von der Plasmakammer (3) umfaßt, wobei die Plasmakammer (3) die Zylinderwand der Kammer (2) ganz oder teilweise umfaßt.

Die gemeinsame Wand zwischen Kammer (2) und Kammer (3) ist vorteilhaft gänzlich, teils oder wesentlich zylindrisch auszubilden. Die äußere Wand der Plasmakammer (3) ist zylin­ drisch oder beliebig, z. B. der Art der Bearbeitung angepaßt, gestaltet. Die Ausbildung der Plasmakammer (3) als Resonator z. B. als Koaxial-, Rechteck- oder ringförmiger Resonator ist möglich. Als ringförmiger Resonator kann die Plasmakammer (3) bei rechteckigem Quer­ schnitt mit der schmalen oder langen Seite die gemeinsame Wand mit Kammer (2) bilden. Die Plasmakammer kann auch als Segment der genannten Formen ausgebildet sein.

Die Plasmakammer (3) und die zylindrische Kammer (2) haben bevorzugt eine gemeinsame Vorzugsrichtung und im einfachsten, vielfach bevorzugten Falle eine gemeinsame z- Achse. Bevorzugt ist weiter die rotationssymmetrische Ausbildung der Kammer (2) zumindest auf Teilen, besonders den Teilen nahe der Stirnflächen. Zwei ineinander angeordnete Rohre mit gemeinsamer z-Achse sind die konstruktiv einfachste, überraschende, und vielfach bevor­ zugte Anordnung der Kammern (2) und (3).

Die Kammern (2) und (3) können entlang der Vorzugsrichtung oder Achse gleich oder ver­ schieden lang ausgebildet sein.

Die Zylinderform der Kammer (2) erlaubt, auch durch einfache geometrische Gestalt eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Mikrowelleneinkopplung und einfache Ausbildung der Kammern (2) und (3) als Resonatoren. Die Zylinderform der Kammer (2) erlaubt zudem eine bisher nicht mögliche Variation, Veränderbarkeit und Einstellbarkeit der Gestalt und der Wirksamkeit von Kammer (2) und auch der Plasmakammer (3). Hierzu kann mindestens eine der Stirnflächen der Kammer (2) beweglich bzw. verschiebbar angeordnet sein. Weiter kann mindestens eine der Stirnflächen der Plasmakammer (3) beweglich bzw. verschiebbar angeordnet sein. Verschiebung in Vorzugsrichtung und/oder Drehung der Stirnflächen (4) bzw. (5) ist besonders einfach möglich. Hierzu besitzen die Stirnflächen an der Zylinderwand anregende Halterungen, Rohrstutzen oder dergleichen. Die Rohrstutzen können Aussparun­ gen aufweisen und über kleine oder erhebliche Teile der Zylinderwand, an der Zylinderwand anliegend, ausgebildet sein. Dann können die Koppelstellen variabel, beweglich, einstellbar angeordnet, abdeckbar oder durch Öffnen einschaltbar gestaltet sein. Die Zylinderwand ist dann dadurch, ganz oder teilweise, doppelt bzw. dreifach ausgebildet.

Bewegliche Koppelstellen können mit Hilfe der Stirnflächen oder durch z. B. Griffen unab­ hängig von Stirnflächen beweglich angeordnet sein. Die zuleitende bzw. einkoppelnde Kammer (2) hat in vielen Fällen bevorzugt ideale bzw. im wesentlichen Zylinderform und als Koppelstellen z. B. azimuthale Schlitze. Die Stirnflächen sind dann kreisförmig bzw. die Kontaktfläche mit der Zylinderwand ist ein Kreis und die zu- bzw. wegschaltbaren Schlitze sind durch die Stirnfläche bzw. von außen bewegbar.

Die zuleitende Kammer (2) kann auch von der Idealform eines Zylinders abweichen, z. B. einen elliptischen oder eckigen z. B. dreieckigen bis sechseckigen Querschnitt ganz oder teilweise aufweisen. Auch eine um die z-Richtung geschwungene Form ist möglich. Der Zy­ linder der Kammer (2) kann gebogen sein. Beide Stirnflächen können sich berühren bzw. entfallen und die Kammer kann eine ringförmig geschlossene Struktur aufweisen. Bevorzugt ist vielfach die entlang der z-Richtung linear gestreckte Form der Kammer (2).

Die Plasmakammer kann Zuführung für Gase und Vorrichtung für die Evakuierung aufwei­ sen. Die Vorrichtung der Erfindung ist vielseitig verwendbar, besonders ist aber die Be­ handlung bahnförmiger Materialien in nahezu beliebiger Breite möglich.

Zur Erzeugung eines Vakuums kann die Plasmakammer einen Rezipienten (5), der ganz oder teilweise aus dielektrischem Material mit vorzugsweise geringen dielektrischen Verlu­ sten, z. B. Quarzglas oder Aluminiumoxid-Keramik besteht, enthalten. Im Falle der Ausbil­ dung der Plasmakammer als Koaxialresonators kann der Rezipient mit Hilfe eines dielektri­ schen Rohres z. B. aus Quarzglas, welches über den Zylinderresonater gestülpt ist, ausge­ führt werden. Hierbei bildet das dielektrische Rohr zusammen mit dem Außenleiter des Koa­ xialresonators und dessen Stirnflächen den Vakuumrezipienten (5). Im Falle des Betriebes der Vorrichtung bei höheren Drücken z. B. Atmosphäre verhindert der Rezipient die Ausbil­ dung eines Plasmas an den Koppelstellen bzw. in der zuführenden zylinderförmigen Kam­ mer, deren Zuleitung oder auch am Mikrowellenerzeuger selbst. Der Plasmabereich der Vor­ richtung kann aber ebenso durch die Einbringung dielektrischen Materials gezielt auf die gewünschten Bereiche eingeschränkt werden. So kann z. B. durch Auskleidung des Berei­ ches um die Koppelstelle und der Koppelstellen selbst durch dielektrisches Material die Ent­ stehung eines Plasma in diesem Bereich verhindert werden.

Wird die Plasmakammer als Koaxialresonator ausgeführt, so ist deren Ausbildung als TEM-Resonator bevorzugt. Jedoch sind auch andere Moden wie z. B. TE- oder TM-Moden mög­ lich. Bei der Behandlung von bahnförmigen Materialien wie z. B. Kunststoff- oder Stoffbahnen ist eine Zuführung bzw. Abführung des zu behandelnden Materials durch Schlitze im Au­ ßenleiter des TEM Koaxialresonators z. B. entlang der z-Achse möglich, ohne durch diese Mikrowellenleistung nach außen zu koppeln. Eine Ausführung der zuführenden zylinderför­ migen Kammer als TM010 Resonator mit azimuthalen Schlitzkopplern ist hierbei bevorzugt. Der Abstand der Schlitzkoppler in z-Richtung ist hierbei bevorzugt eine Wellenlänge der verwendeten Mikrowelle. Mehrere um den Umfang des Zylinderresonators verteilt und aus der azimuthalen Richtung in Richtung z-Achse um z. B. 45 Grad verkippte Schlitze sind ebenso möglich. Hierbei ist auch eine Anordnung von Schlitzreihen in einem Abstand der halben Wellenlänge ausführbar, wobei die Kipprichtung der Schlitze von einer zur nächsten Schlitzreihe entgegengesetzt sein sollte.

Es ist auch möglich Kammer (3) als zuleitende und Kammer (2) als Plasmakammer auszu­ bilden.

Bewegliche Koppelstellen und/oder Stirnflächen führen dazu ggf. der äußeren Kammer (3) die Funktion der Zuleitung und der inneren Kammer (2) die Funktion der Plasmakammer zuzuordnen.

Die Einkopplung der Mikrowellen in die Plasmaquelle kann mit den bekannten abstimmbaren Zuleitungen über eine Wandung der Kammern erfolgen; bevorzugt über eine Stirnwand oder Kammerwand, wobei die Abstimmung der Plasmaquelle ganz oder teilweise durch Einstel­ lung in und durch eine Kammerwand erfolgt. Die Abstimmung kann auch über die bekannten Abstimmelemente erfolgen.

Alle Teile der Vorrichtungen können mehrfach vorhanden sein.

Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung mit zylinderförmiger zu leitender Kammer (2), umgeben von der Plasmakammer (3) mit Mikrowellenerzeuger in einer Stirnfläche der Kam­ mer (2). Die Stirnflächen (4) der Kammer (2) und die Stirnflächen (5) der Plasmakammer (3) liegen in diesem Fall in einer Ebene.

Fig. 2 zeigt Abwicklungen der Mantelflächen der zylindrischen Kammer (2) mit Koppelstellen in der Wand zu der Plasmakammer (3). Fig. 2a zeigt azimuthal umlaufende Schlitzkoppler mit Abstand D von bevorzugt einer bzw. einer halben Wellenlänge bei Resonanz. Fig. 2.b zeigt azimuthale Schlitzkoppler mit Abstand D von gleicher Phase, die den Umfang der Zy­ linderfläche nur teilweise abdecken. Fig. 2c zeigt zwei Paare von azimuthalen Schlitzkopp­ lern mit Abstand D, die um D' von z. B. einer viertel Wellenlänge zueinander verschoben sind. Durch mechanische Verschiebung der Stirnflächen (4) und/oder (5) um D' in Richtung der z-Achse erfolgt Kopplung durch beide oder nur ein Schlitzpaar. Die Schlitze müssen nicht mit verschoben werden. Bei nur einer Schlitzreihe müssen Stirnflächen und Schlitze verschoben werden, um die Homogenisierung zu erreichen. Ein Schlitzpaar ist mit einer Halterung mit der Stirnfläche (5) verbunden und wird durch deren Bewegung in z-Richtung verschoben. Die Stirnflächen (4) der Kammer (2) werden verschoben, bis Resonanz erreicht ist. Fig. 2d zeigt zwei Paare von Reihen von Schlitzkopplern mit gegensätzlicher Kipprich­ tung vom Abstand jeweils D und halben Abstand D zueinander, wodurch gleichphasige Ein­ kopplung in die Plasmakammer d. h. die entgegengesetzte Flußrichtung der Wandströme durch gegensätzliche Kopplung der Schlitzreihen im Abstand von z. B. der halben Resona­ torwellenlänge genutzt wird. Zusätzliche Schlitzreihen im Abstand von z. B. einer viertel Wellenlänge sind möglich. Schlitzreihen können, wie in Fig. 2c, verschoben werden.

Fig. 2e und Fig. 2f zeigt mehrere Koppelschlitze, die parallel der z-Achse verlaufen und z. B. durch Drehung und/oder Schieben der Stirnfläche (5) veränderbar sind. In Fig. 2f sind die Schlitze unterbrochen. Anstelle von Schlitzen sind anderer Koppelelemente verwendbar.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung mit Plasmakammer (3) in der bevorzugten Ausbildung als ring­ förmigen Resonator von rechteckigem Querschnitt, wobei über eine kurze Rechteckseite (3A) oder eine lange Rechteckseite (3B) die Mikrowelleneinkopplung aus (2) erfolgt.

Fig. 4 gleicht Fig. 3, jedoch ist Kammer (2) von einer Plasmakammer (3) umschlossen, die als 180° Zylindersegment ausgebildet ist.

Fig. 5 zeigt die zuleitende Kammer (2), umgeben von der Plasmakammer (3), die in z-Richtung gleichlang wie Kammer (2) und als 180° Segment ausgebildet ist.

Fig. 6 zeigt eine lange Kammer (2) umgeben von längerer als 180° Segment ausgebildeten Kammer (3), durch welche ein zu behandelndes bahnförmiges Substrat (11) durch den Schlitz (10) kontinuierlich bewegt wird. Der Austrittsschlitz ist nicht dargestellt.

Fig. 7 zeigt zwei Vorrichtungen I und II zur Behandlung eines bahnförmiges Substrats 11 nach wahlweise gleichen oder verschiedenen Verfahren, wobei das bahnförmige Substrat durch die jeweiligen Schlitze 10a und 10b nacheinander geführt wird.

Fig. 8 zeigt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bearbeitung von Rohren (11) die kontinu­ ierlich senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 8a durch Ringschlitze (10) durch die Plasma­ kammer (3) geführt sind. Das zu bearbeitende Rohr hat stets den gleichen Abstand zu den nicht gezeigten Koppelelementen der ringförmigen zuleitenden Kammer (2), deren Mittellinie (4) in Form eine Kreises durch gedachte konstante Krümmung der zylindrischen Achse ent­ steht. Kammer (2) besitzt in Fig. 8a eine kreisförmigen Querschnitt, kann jedoch auch ge­ krümmt ovalen oder auch eckigen Querschnitt haben. Fig. 8b zeigt eine Schnitt durch die Vorrichten entsprechend der Schnittlinie AB in Fig. 8a. Die Plasmakammer (3) ist als 1800 Segment eines Kreisringes außen um den Ring der Kammer (2) angeordnet, daß das äuße­ re 180° Segment der Kammer (2) mit Koppelelementen versehbar ist. Der Halbkreis des Querschnitts der Kammer (3) kann auch als Rechteck ausgebildet sein.

Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung mit koaxialen Kammern (2) und (3) , die in geometrischer An­ passung an z. B. Substrate einer gekrümmten (nicht gezeigten) Achse folgen. In der Ebene der anzimutalen Schlitzkoppler (6) können die Querschnitte kreisförmig oder z. B. elliptisch, von konstantem oder nicht konstantem Durchmesser entlang der gekrümmten Achse sein.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen mit Mikrowellenerzeuger (1), zu­ leitender Kammer (2) mit Koppelstellen (6) in der Wand zwischen zuleitender Kammer (2) und Plasmakammer (3) sowie ggf. Rezipienten, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen-zuleitende Kammer (2) zylinderförmig ausgeführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (3) ganz oder teilweise die zuleitende zylinderförmige Kammern (2) umschließt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) und Kammer (3) eine gemeinsame Vorzugsrichtung haben.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kammern (2) und Kammern (3) entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung oder rotationssymme­ trisch zu einer gemeinsamen Achse gleich oder verschieden lang ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Stirnflächen der Kammer (2) und/oder Kammer (3) variabel verschiebbar oder/und drehbar angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wand zwischen Kammer (2) und Plasmakammer (3) ganz oder teilweise mehrfach ausgebildet ist und die Wand oder mindestens eine der Wände mit den Koppelstellen variabel verschiebbar oder/und drehbar mit Hilfe einer Stirnfläche oder von den Stirnflächen unabhängig angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß Kammer (2) als Plasmakammer und Kammer (3) als mikrowellenzuführende Kammer ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mikrowellenerzeuger (1) in oder nahe einer Stirnfläche oder ei­ ner Wand angeordnet ist und die Einstellung der Resonanz in und durch eine Kammer erfolgt.