DE19829760B4

DE19829760B4 - Koaxialer Mikrowellenapplikator zur Erzeugung eines Plasmas mit automatischer oder manueller Anpassung

Info

Publication number: DE19829760B4
Application number: DE1998129760
Authority: DE
Inventors: Bernd Dathe; Horst Neumann; Frank Scholze; Frieder Prof. Dr. Bigl
Original assignee: INST OBERFLAECHENMODIFIZIERUNG; Institut fur Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: INST OBERFLAECHENMODIFIZIERUNG; Institut fur Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2018-07-04
Also published as: DE19829760A1

Abstract

Verfahren zur Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz, wobei der Mikrowellenapplikator über eine Koaxialleiterstrecke (3) mit einem Magnetron (1) verbunden ist, durch Bestimmung eines Maßes für die Güte der Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz und manuelle oder automatische Abstimmung des Mikrowellenapplikators mit geeigneten Tuningelementen unter Verwendung des Gütemaßes, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Güte der Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz die Größe der Welligkeit der Anodenspannungsversorgung des Magnetrons (1) verwendet wird.

Description

Anwendungsgebiet
Der erfindungsgemäße Mikrowellenapplikator wird zur Erzeugung von Plasmen in einer Vakuumumgebung mit und ohne Ausnutzung einer Elektronenresonanz eingesetzt. Diese so generierten Plasmen sind entsprechend der Prozeßführung und dem Prozeßgaseinsatz vielfältig z.B. zur Materialbearbeitung, zur Oberflächenmodifizierung und Beschichtung einsetzbar. Desweiteren können mit Hilfe des Applikators Ionen- und Neutralteilchenstrahlen für eine Materialbearbeitung oder -modifizierung im Vakuum in einer entsprechenden Vorrichtung generiert werden.

Derzeit erfolgt die Mikrowellenplasmaerzeugung mit Hilfe von Hohleitersystemen, in die sowohl Vorrichtungen zur Anpassung als auch zum Schutz gegen den Einfluß der reflektierten Anteile auf die Mikrowellenerzeugung und zur Messung der reflektierten Leistung eingebunden sind. Diese Standardtechnik ist im Falle der üblichsten Frequenz von 2,45 GHz sehr voluminös, schwer zu automatisieren und teuer. Die Art und Weise der Einkopplung der Mikrowelle in die Vakuumkammer wird entsprechend der unterschiedlichen Systeme durch Übergänge vom Standardrechteckhohlleiter R 26 auf z.B einen Hornstrahler (Offenlegungsschrift DE 380335 A1 ), Schlitzantennenanordnungen (Plasmaquelle SLAN, JE PlasmaConsult GmbH, Wuppertal) einen Koaxialleiter zur Einkopplung der Welle über entsprechende Antennenanordnungen, einen Rundhohlleiter ( EP 0 390 004 A2 , EP 0 407 169 A2 ) zur Erzeugung einer definierten Mikrowellenmode und angepaßte Vakuumtrenneinrichtungen aus Quarzglas oder geeignete Keramiken gelöst. Für viele Anwendungen ist die Einkopplung der hochfrequenten Welle über eine Antenne vorteilhaft einzusetzen (Plasmaquellen der Fa Roth&Rau Oberflächentechnik GmbH).

Weiterhin ist aus DE 197 21 676 A1 eine RF-Messsonde für eine Plasmakammer bekannt, bei der eine Auswertung von Spannung Strom und Phasenwinkel auf der Hochfrequenzseite vorgenommen wird. Die DE 197 21 676 A1 nimmt jedoch weder auf Mikrowellen (sondern Kurzwellen) noch auf eine Auswertung der Spannungsversorgung, sondern auf eine Auswertung auf der Hochfrequenzseite Bezug. So werden beispielsweise bei einer RF-Meßsonde für eine Plasmakammer Strom und Spannungsabtastwerte der einer RF Plasmakammer zugeführten RF-Energie abgegriffen.

Weiterhin ist aus DE 697 02 014 T2 eine Stromversorgung für einen Mikrowellengenerator (Magnetron) bekannt, der preiswert in der Lage ist, verschiedene (Hochfrequenz-)Leistungen im Magnetron zu erzeugen. Die dazu eingesetzten Kondensatoren dienen der Siebung der aus der Netzfrequenz (60 Hz) gewonnenen Gleichspannung. Den gleichen Zweck besitzt die in DE 697 02 014 T2 offenbarte Drossel.

Aufgabe der Anmeldung

Die erfindungsgemäße Lösung hat die Aufgabe zur Vereinfachung des Mikrowellenleitungssystems eine direkte Verbindung eines Magnetrons aus der Hohlleitertechnik mit einem 50 Ohm Koaxialsystem herzustellen, eine einfache und automatisierbare Anpassung der Impedanz des Systems an den Abschlusswiderstand zu ermöglichen und ein Signal für diese Anpassung zu generieren, welches seinerseits sowohl eine manuelle Anpassung als auch deren Automatisierung gewährleistet.

Lösung der Aufgabe

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz, wobei der Mikrowellenapplikator über eine Koaxialleiterstrecke mit einem Magnetron verbunden ist, ist durch Bestimmung eines Maßes für die Güte der Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz und manuelle oder automatische Abstimmung des Mikrowellenapplikators mit geeigneten Tuningelementen unter Verwendung des Gütemaßes gekennzeichnet, wobei als Maß für die Güte der Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz die Größe der Welligkeit der Anodenspannungsversorgung des Magnetrons verwendet wird. Vorzugsweise wird die Größe der Welligkeit der Anodenspannungsversorgung über hochspannungsfeste Kondensatoren, welche mit der Anodenspannungsversorgung und einem Mikrorechneranalogeingang verbunden sind, gemessen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Applikation von Mikrowellen zur Generierung von Plasmen in einer Vakuumumgebung mit und ohne Ausnutzung von Elektronenresonanzen weist ein Magnetron aus der Hohlleitertechnik, eine Koaxialleiterstrecke und mindestens ein geeignetes Tuningelement auf, wobei das Magnetron aus der Hohlleitertechnik direkt an die Koaxialleiterstrecke gekoppelt ist. Vorzugsweise weist die Koaxialleiterstrecke im Innenleiter mindestens einen axialen Kanal zur Einbringung von Prozessgasen in die Vakuumumgebung auf.

Ein Koaxialleitungssystem mit einer Impedanz von 50 Ohm wurde so gebaut, das der Durchmesser des Innenleiters ausreicht, um in einer Steckbuchse den Antennenausgang des Magnetrons aufzunehmen. Durch einen zusätzlichen, definiert verstellbaren Kurzschlußschieber in Verbindung mit entsprechend dimensionierten λ/4 Transformatoren erfolgt die Anpassung an den Abschlußwiderstand. Dabei ist die mechanische Ausführung des Applikators (Magnetron in Richtung Antenne oder 90° zur Antenne, Kurzschlußschieber jeweils 90° zum Magnetron) der Anwendung anpaßbar. Zum Weiterleiten der HF über ein Koaxialkabel sind 2 derartige Kurzschlußschieber erforderlich. Zur Erzeugung eines Signals zur Anpassung des Applikators wird erfindungsgemäß die Größe der Welligkeit der Anodenspannungsversorgung des Magnetrons benutzt. Fehlangepaßte Magnetrons belasten ihre Stromversorgung ungleichmäßig und verursachen dadurch diesen Wechselspannungsanteil in der als Konstantstromquelle arbeitenden Anodenspannungsversorgung. Diese Anodenspannungsversorgung ist üblicherweise so geschaltet, daß ihr negativer Pol an der Katode des Magnetrons liegt und der positive Pol (Anode des Magnetrons) auf Masse. So liegt das Magnetrongehäuse konstruktiv auf Massepotential. Die durch die beschriebene Fehlanpassung hervorgerufene Welligkeit wird über einen geeignet zu dimensionierenden, hochspannungsfesten Kondensator gegen Masse gleichgerichtet gemessen. Die Größe dieser so erzeugten Spannung ist ein direktes Maß für die Güte der Anpassung des Applikators an die Lastimpedanz und kann deshalb zu seiner manuellen bzw. automatischen Abstimmung verwendet werden.

Vorteile der Anordnung

Die erfindungsgemäße Anordnung ist sowohl vom Fertigungsaufwand als auch von der Baugröße ein wesentlicher Fortschritt zu den bisher zur Lösung der beschriebenen Problematik genutzten Mikrowellenanordnungen. Die Möglichkeit eines einfachen und preiswerten Autotunings (der Einsatz spezieller Hochfrequenzdioden mit nachgeschalteter Signalverstärkung ist nicht erforderlich) ist ein weiterer, entscheidender Faktor, der für den erfindungsgemäßen Applikator spricht. Weiterhin sind die Übertragungsverluste in der Koaxialstrecke so gering, daß ihre Erwärmung kein Problem darstellt und die für die Plasmaerzeugung eingesetzten Mikrowellenleistungen etwa der Hälfte der üblicherweise applizierten Leistungen entsprechen. Dies ist auch der Grund, daß auf einen Schutz des Magnetrons vor der reflektierten Welle verzichtet werden kann, ohne dessen frühzeitige Zerstörung befürchten zu müssen.

Beispielbeschreibung
Ausführungsbeispiele sind in den Anlagen dargestellt und werden im folgenden beschrieben.
Anlage 1
1 zeigt einen Aufbau zur Abstrahlung der Mikrowelle über eine Antenne bei einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz. Die Auskopplung eines cw – Magnetrons (1) wird direkt mit dem Innenleiter (2) einer Koaxialleiterstrecke (3) über einen mechanischen Federkontakt (4) verbunden. Ein koaxialer Kurzschlußschieber (5) erlaubt die Anpassung der Anordnung an eine Lastimpedanz. Ebenfalls der Optimierung der Anpassung dienen entsprechende, koaxiale Transformationsglieder (6). Diese Anordnung wurde erfolgreich zur Erzeugung von Niederdruckplasmen nach dem Prinzip der Elektron-Zyklotron-Resonanz für Plasma- bzw. Ionenstrahlapplikationen eingesetzt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Auswertung der Welligkeit auf der Anodenspannung läßt sich das System optimal von Hand bzw. auch über einen entsprechenden Motor mit Auswerte- und Ansteuerungselektronik am Kurzschlußschieber anpassen.
Anlage 2
2 zeigt den um 90° gedrehten Aufbau des Mikrowellenapplikators. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß durch den Innenleiter der Koaxialstrecke (1) entsprechende Gase geführt werden können (2), die für eine entsprechende Prozeßtechnologie (z.B.Mikrowellenplasmaerzeugung im höheren Druckbereich und Ausbildung einer „Plasmaflamme" für reaktive Ätzprozesse) notwendig sind.
Die Anpassung erfolgt adäquat zur Anordnung beschrieben in Anlage 1.
Anlage 3
3 zeigt die Möglichkeit des Einsatzes des erfindungsgemäßen Mikrowellenapplikators für den Anschluß eines Koaxialkabels (1) direkt an ein Magnetron (2) der Hohlleitertechnik. Die Anpassung dieser Strecke erfolgt über zwei Kurzschlußschieber (3; 4) in der gleichen Art und Weise wie unter Anlage 1 beschrieben.

Claims

Verfahren zur Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz, wobei der Mikrowellenapplikator über eine Koaxialleiterstrecke (3) mit einem Magnetron (1) verbunden ist, durch Bestimmung eines Maßes für die Güte der Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz und manuelle oder automatische Abstimmung des Mikrowellenapplikators mit geeigneten Tuningelementen unter Verwendung des Gütemaßes, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Güte der Anpassung eines Mikrowellenapplikators an seine Lastimpedanz die Größe der Welligkeit der Anodenspannungsversorgung des Magnetrons (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Welligkeit der Anodenspannungsversorgung über hochspannungsfeste Kondensatoren, welche mit der Anodenspannungsversorgung und einem Mikrorechneranalogeingang verbunden sind, gemessen wird.
Vorrichtung zur Applikation von Mikrowellen zur Generierung von Plasmen in einer Vakuumumgebung mit und ohne Ausnutzung von Elektronenresonanzen mit einem Magnetron (1) aus der Hohlleitertechnik, einer Koaxialleiterstrecke (3) und mindestens einem geeigneten Tuningelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron (1) aus der Hohlleitertechnik direkt an die Koaxialleiterstrecke (3) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koaxialleiterstrecke (3) im Innenleiter (2) mindestens einen axialen Kanal zur Einbringung von Prozessgasen in die Vakuumumgebung aufweist.