DE19848022A1

DE19848022A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma

Info

Publication number: DE19848022A1
Application number: DE1998148022
Authority: DE
Inventors: Michael Liehr
Original assignee: Leybold Systems GmbH
Current assignee: Leybold Systems GmbH
Priority date: 1998-10-17
Filing date: 1998-10-17
Publication date: 2000-04-20

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer (3) mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern ist ein stabförmiger Leiter (4) innerhalb eines Rohres (5) aus isolierendem Werkstoff durch die Vakuumkammer (3) geführt, wobei der Innendurchmesser des Isolierrohres (5) größer als der Durchmesser des Leiters (4) ist und das Isolierrohr (5) an beiden Enden in Partien der Wand (6, 7) der Vakuumkammer (3) gehalten und gegenüber dieser an seiner Außenfläche abgedichtet ist, wobei der Leiter (4) an beiden Enden an Quellen (8 bzw. 9) zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen ist und der stabförmige Leiter (4) im Bereich seiner sich in die Vakuumkammer (3) hinein erstreckenden Partie als Wendel (2) ausgeformt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeu gung von Plasma in einer Vakuumkammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern, wobei zu mindest ein Leiter innerhalb eines Rohres aus iso lierendem Werkstoff in die Vakuumkammer hineinragt und der Innendurchmesser des Isolierrohres größer als der Durchmesser des Leiters ist, wobei das Isolierrohr an beiden Enden in Wandpartien der Va kuumkammer gehalten und gegenüber diesen an seiner Außenfläche abgedichtet ist und der Leiter an bei den Enden an eine Quelle oder jeder der Leiter mit seinem wandseitigen Ende an eine der Quellen zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen ist.

Eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma (DE 195 03 205) ermöglicht es, in einem begrenzten Betriebsbereich (Prozeßbereich, Gasdruck, Mikro wellenleistung) Plasmen für Oberflächenbehandlun gen und Beschichtungstechnik zu erzeugen. Die be kannte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus ei nem in einer Vakuumprozeßkammer installierten zy lindrischen Glasrohr und einem darin befindlichen metallisch leitenden Rohr, wobei im Innenraum des Glasrohrs Atmosphärendruck herrscht. Mikrowellen leistung wird beidseitig durch zwei Einspeisungen und zwei metallische Koaxialleitungen, bestehend aus Innenleiter und Außenleiter, durch die Wände der Vakuumprozeßkammer eingeleitet. Der fehlende Außenleiter der Koaxialleitung innerhalb der Vaku umprozeßkammer wird durch eine Plasmaentladung er setzt, die bei hinreichenden Zündbedingungen (Gasdruck) durch die Mikrowellenleistung gezündet und aufrechterhalten wird, wobei die Mikrowellen leistung aus den beiden metallischen Koaxiallei tungen und durch das Glasrohr in die Vakuumprozeß kammer austreten kann. Das Plasma umschließt das zylinderförmige Glasrohr von außen und bildet zu sammen mit dem Innenleiter eine Koaxialleitung mit sehr hohem Dämpfungsbelag. Bei feststehender, beidseitig eingespeister Mikrowellenleistung kann der Gasdruck der Vakuumprozeßkammer so eingestellt werden, daß das Plasma augenscheinlich gleichmäßig entlang der Vorrichtung dort brennt, wo innerhalb der Vakuumprozeßkammer der Außenleiter der Koa xialleitung fehlt.

Bekannt ist weiterhin eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung eines Plasmas in einer Behandlungskammer mittels Mikrowellenanregung (DE 41 36 297), die durch einen in eine Wand einbaubaren Flansch oder die Wand selbst in einen äußeren und einen inneren Teil unterteilt ist, wobei am äußeren Teil eine Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung angeordnet ist, deren Mikrowellen über eine Mikrowellen- Einkoppeleinrichtung zum inneren Teil hingeführt werden, wobei die Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung einen durch den Flansch hindurchführenden äußeren Führungshohlleiter aus isolierendem Material auf weist, in dem ein Innenleiter aus Metall verläuft, wobei die Mikrowellen von der Mikrowellen- Erzeugungseinrichtung in den Innenleiter eingekop pelt werden.

Schließlich hat man eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern vorgeschlagen (DE 197 22 272.2), bei der ein stabförmiger Leiter innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff durch die Vakuumkammer geführt ist und der Innen durchmesser des Isolierrohres größer als der Durchmesser des Leiters ist, wobei das Isolierrohr an beiden Enden in Wänden der Vakuumkammer gehal ten und gegenüber den Wänden an seiner Außenfläche abgedichtet ist und der Leiter an beiden Enden je weils an eine erste Quelle zur Erzeugung der elek tromagnetischen Wechselfelder angeschlossen ist, wobei der stabförmige Leiter jeweils im Bereich beider Wanddurchführungen in Richtung auf seine mittlere Partie zu ein Stück weit von einem Rohr stück aus elektrisch leitendem Werkstoff beabstan det umschlossen ist, wobei die beiden Rohrstücke konzentrisch zum Isolierrohr angeordnet und je weils die kreisringzylinderförmigen, vom Isolier rohr und dem jeweiligen Rohrstück gebildete Zwi schenräume an eine zweite Quelle zur Erzeugung ei nes elektromagnetischen Wechselfeldes angeschlos sen sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, eine Vorrichtung der in Frage stehenden Art zu schaffen, die geeignet ist, möglichst gleich förmige Plasmen über lineare Abmessungen, die ein Mehrfaches der Wellenlänge der applizierten hoch frequenten Wellen betragen zu erzeugen. Die Vor richtung soll außerdem so gestaltet sein, daß auf den zusätzlichen Einbau kostspieliger Einweglei tungen zum Schutz der Hochfrequenzsender vor re flektierter Leistung verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der stabförmige Leiter im Bereich seiner sich in die Vakuumkammer hinein erstreckenden Partie als Wendel ausgeformt ist, und die Windungslänge L einer Wendel L = C/cos(α) einer Wellenlänge λ₀ entspricht (λ₀ ≅ L), wobei der Windungssteigungs winkel α im Bereich zwischen 10° und 15° liegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umschließt der wendelförmige Leiter einen Stab aus dielektri schem Werkstoff, dessen Länge etwa dem Abstand, den die beiden Wandpartien voneinander aufweisen, entspricht und sich koaxial zum wendelförmigen Ab schnitt des stabförmigen Leiters erstreckt.

Bei einer alternativen Ausführungsform sind zwei koaxial zueinander ausgerichtete stabförmige Lei ter innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werk stoff in die Vakuumkammer geführt, wobei der In nendurchmesser des Isolierrohres größer als der Durchmesser der Leiter ist und das Isolierrohr an beiden Enden in Wänden der Vakuumkammer gehalten und gegenüber den Wänden an seiner Außenfläche ab gedichtet ist und jeweils ein Leiter an eine eige ne Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wechselfeldern angeschlossen ist, wobei die stabförmigen Leiter im Bereich ihrer sich in die Vakuumkammer hinein erstreckenden Partien als Wen deln mit gleichem oder gegenläufigem Wickelsinn ausgeformt sind und die Windungslängen dieser Par tien L = C/cos(α) einer Wellenlänge λ₀ entsprechen (λ₀ ≅ L), wobei der Windungssteigungswinkel α im Bereich zwischen 10° und 15° liegt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern sind zwei koaxial zueinander angeordnete stabförmige Leiter innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff in die Vakuumkammer eingeführt, wobei der Innendurchmesser des Isolierrohres größer als der Durchmesser der Leiter ist, wobei das Isolier rohr an beiden Enden in Wänden der Vakuumkammer gehalten und gegenüber den Wänden an seiner Außen fläche abgedichtet ist und jeweils ein Leiter an eine eigene Quelle zur Erzeugung von elektromagne tischen Wechselfeldern angeschlossen ist, wobei die stabförmigen Leiter im Bereich ihrer sich in die Vakuumkammer hinein erstreckenden Partien als Wendeln mit entgegengesetztem oder gleichem Wic kelsinn ausgeformt sind und einen Stab aus dielek trischem Werkstoff umschließen, dessen Länge etwa dem Abstand, den die beiden Wandpartien voneinan der aufweisen, umschließen.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu; einige davon sind in den anhängenden Zeichnungen rein schematisch darge stellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 den Schnitt durch eine Vorrichtung mit einer Wendel und einem an beiden Enden in den Wandpartien gehaltenen Isolierrohr,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch mit einem vom Wendel umschlossenen, sich koa xial zu ihr erstreckenden Stab aus die lektrischem Werkstoff,

Fig. 3 den Schnitt durch eine Vorrichtung mit zwei Wendeln mit unterschiedlichem Wic kelsinn,

Fig. 4 den Schnitt durch eine Vorrichtung mit zwei Wendeln mit gleichsinnigem Wickel sinn,

Fig. 5 den Schnitt durch eine Vorrichtung mit einer einzigen Wendel und einem von die ser umschlossenen Stab aus dielektrischem Werkstoff,

Fig. 6 die einzelne Darstellung eines Teils ei ner Wendel und

Fig. 7 die Abwicklung einer Wendel.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung betrifft eine Wendel-Leitung, die im T₁ Mode betrieben wird, wobei sich zirkular polarisierte Mikrowellenstrah lung entlang der Mittelachse ausbreitet und dabei eine Plasmaentladung zündet und aufrechterhält.

Mikrowellenleistung wird mittels einer Rechteck hohlleitung 10 von einem Mikrowellengenerator zu geführt, die mittels Impedanzanpassungselementen 11, 12 auf eine stabförmige Koaxialleitung 4 über tragen wird. Die Wendel 2 ist mit dem Innenleiter der Koaxialleitung 4 verbunden und wandelt die transversal elektromagnetischen Wellen der Koa xialleitung in zirkular polarisierte Wellen um und strahlt diese durch ein vakuumdichtes, aber mikro wellendurchlässiges Rohr 5 in die Vakuumkammer 3 ab.

Mehrere Vorrichtungen des beschriebenen Typs kön nen Mikrowellenleistung in ein und dieselbe Plas mabehandlungskammer abstrahlen, wobei die einzel nen Antennen mikrowellentechnisch entkoppelt sind, vorausgesetzt, gegenüberliegend angeordnete Vor richtungen haben entgegengesetzte Wickelrichtungen (Helizitäten) oder die Plasmaentladungen zwischen den Vorrichtungen haben eine ausreichend hohe Wel lendämpfung.

Besitzt also die Vorrichtung auf der einen Seite rechtsdrehende Helizität, dann muß die andere Vor richtung von linksdrehender Helizität sein. Unter idealen Bedingungen kann linkszirkular polarisier te Mirkrowellenstrahlung von einer rechtsdrehenden Helix-Antenne (Wendel-Antenne) nicht absorbiert werden und umgekehrt. Zirkular polarisierte Mikro wellenstrahlung ändert bei Reflexion an metallisch leitenden planaren Oberflächen ihre jeweilige Po larisationsrichtung.

Je zwei gegenüberliegende Vorrichtungen sind in einem gemeinsamen, vakuumdichten und mikrowellen durchlässigen Rohr 5 angeordnet, wobei die beiden Vorrichtungen dann von entgegengesetzter Helizität sein müssen (Fig. 3, 4).

Die zur Abstrahlung von Mikrowellen benutzte heli kal geformte Stabantenne (auch als Helix bezeich net) ist so beschaffen, daß sie im sogenannten T₁- mode betrieben wird. Fig. 6 zeigt eine Helix- Antenne mit ca. 4 Windungen, die über eine Koa xialleitung mit Mikrowellenleistung versorgt wird. Die Strahlungscharakteristik einer Helix hängt er stens vom Verhältnis des Windungsdurchmessers D zu der Wellenlänge λ₀ der applizierten Mikrowellen und zweitens vom Windungssteigungswinkel α ab. Je nach Wahl dieser Parameter strahlt die Helix-Antenne im Extremfall in zwei verschiedenen Moden, die weit gehend komplementäre Strahlungscharakteristika zeigen.

T₁ Mode:
Windungslänge L = C/cos(α) entspricht annähernd ei ner Wellenlänge λ₀ und 10° < α < 15°.

In diesem Betriebszustand strahlt die Helix- Antenne mit einem stark ausgeprägtem Hauptmaximum und kleinen Nebenmaxima konzentrisch zur Helix- Mittelachse vom freien Ende der Helix aus (endfire). Darüber besitzt die Strahlung bei He lix-Antennen mit mindestens 4 Windungen weitgehend zirkulare Polarisation, deren Drehsinn von der He lizität der Antenne festgelegt wird. Der mögliche Antennengewinn hängt von der Geometrie der Helix, wie Windungsdurchmesser, Windungssteigungswinkel und Gesamtlänge ab und kann bis zu 15 dB betragen, ist dabei aber nahezu unabhängig von dem Durchmes ser des rohrförmigen, metallisch leitfähigen Mate rials und auch dessen spezifischen elektrischen Widerstands.

T₀ Mode:
Windungslänge L = C/cos(α) ist erheblich kleiner als eine Wellenlänge λ₀ und 10° < α < 15°.

In diesem Betriebszustand strahlt die Helix mit einer Intensitätsverteilung, deren Maximum annä hernd senkrecht zur Helix-Mittelachse verläuft, also radial, ähnlich einer geraden Stabantenne.

T₂, T₃, . . .. Mode:
Windungslänge L = C/cos(α) ist erheblich größer als eine Wellenlänge λ₀ und 10° < α < 15°.

Bezugszeichenliste

2

Wendel, Antenne

3

Vakuumkammer

4

stabförmiger Leiter

5

Isolierrohr

6

Kammerwand

7

Kammerwand

8

Quelle

9

Quelle

10

Rechteckhohlleiter

11

,

11

' Impedanzanpassungselement

12

,

12

' Impedanzanpassungselement

13

stabförmiger Leiter

14

stabförmiger Leiter

15

Isolierrohr

16

Wendel

17

Wendel

18

Wendel

19

Wendel

20

Stab

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer (3) mit Hilfe von elektromagne tischen Wechselfeldern, wobei ein Leiter (4) innerhalb eines Rohres (5) aus isolierendem Werkstoff durch die Vakuumkammer (3) geführt ist und der Innendurchmesser des Isolierroh res (5) größer als der Durchmesser des Lei ters (4) ist, wobei das Isolierrohr (5) an beiden Enden in einander gegenüberliegenden Wandparien (6, 7) der Vakuumkammer (3) gehal ten und gegenüber diesen an seiner Außenflä che abgedichtet ist und der Leiter (4) an beiden Enden an Quellen (8 bzw. 9) zur Erzeu gung der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen ist, wobei der stabförmige Lei ter (4) im Bereich seiner sich in die Vakuum kammer (3) hinein erstreckenden Partie als Wendel (2) ausgeformt ist und die Windungs länge L einer Wendel L = C/cos(α) einer Wel lenlänge λ₀ entspricht (λ₀ ≅ L), wobei der Windungssteigungswinkel α im Bereich zwischen 10° und 15° liegt.

2. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer (3) mit Hilfe von elektromagne tischen Wechselfeldern, wobei ein stabförmi ger Leiter (4) innerhalb eines Rohres (5) aus isolierendem Werkstoff durch die Vakuumkammer (3) geführt ist und die Innendurchmesser des Isolierrohres (5) größer als der Durchmesser des Leiters (4) ist, wobei das Isolierrohr (5) mit jeweils einem Ende in Partien (6, 7) der Vakuumkammer (3) gehalten und jeweils ge genüber den Partien (6, 7) an seiner Außenflä che abgedichtet ist und der Leiter (4) mit beiden Enden jeweils an eine Quelle (8 bzw. 9) zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen ist, wobei der Leiter (4) einen Stab oder ein Rohr (20) aus einem dielektrischen Werkstoff umschließt, dessen Länge etwa dem Abstand, den die beiden Wandpartien (6, 7) voneinander aufweisen, ent spricht und sich koaxial zum wendelförmigen Abschnitt (2) des stabförmige Leiters (4) er streckt, wobei der Stab oder das Rohr aus ei nem dielektrischen Werkstoff so beschaffen ist, daß die Windungslänge L = C/cos(α) etwa einer Wellenlänge λ₀ entspricht (λ₀ ≅ L), wo bei der Windungssteigungswinkel α im Bereich zwischen 10° und 15° liegt.

3. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer (3) mit Hilfe von elektromagne tischen Wechselfeldern, wobei zwei koaxial zueinander ausgerichtete stabförmige Leiter (13, 14) innerhalb eines Rohres (15) aus iso lierendem Werkstoff in die Vakuumkammer (3) geführt sind und der Innendurchmesser des Isolierrohres (15) größer als der Durchmesser der Leiter (13, 14) ist, wobei das Isolierrohr (15) an beiden Enden in Wänden (6, 7) der Va kuumkammer (3) gehalten und gegenüber den Wänden (6, 7) an seiner Außenfläche abgedich tet ist und jeweils ein Leiter (13, 14) an ei ne eigene Quelle (8 bzw. 9) zur Erzeugung von elektromagnetischen Wechselfeldern ange schlossen ist, wobei die stabförmigen Leiter (13, 14) im Bereich ihrer sich in die Vakuum kammer (3) hinein erstreckenden Partien als Wendel (16, 17 bzw. 18, 19) mit gleichem oder gegenläufigem Wickelsinn ausgeformt sind und die Windungslängen L,L' dieser Partien L = C/cos(α) bei einer Wellenlänge λ₀ = 10° < α < 15° betragen.

4. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer (3) mit Hilfe von elektromagne tischen Wechselfeldern, wobei zwei koaxial zueinander ausgerichtete stabförmige Leiter (13, 14) innerhalb eines Rohres (15) aus iso lierendem Werkstoff in die Vakuumkammer (3) geführt sind und der Innendurchmesser des Isolierrohres (15) größer als der Durchmesser der Leiter (13, 14) ist, wobei das Isolierrohr (15) an beiden Enden in Wänden (6, 7) der Va kuumkammer (3) gehalten und gegenüber den Wänden (6, 7) an seiner Außenfläche abgedich tet ist und jeweils ein Leiter (13, 14) an ei ne eigene Quelle (8 bzw. 9) zur Erzeugung von elektromagnetischen Wechselfeldern ange schlossen ist, wobei die stabförmigen Leiter (13, 14) im Bereich ihrer sich in die Vakuum kammer (3) hinein erstreckenden Partien als Wendel (18 bzw. 19) mit entgegengesetztem oder gleichem Wickelsinn ausgeformt sind und einen Stab oder ein Rohr (20) aus dielektri schem Werkstoff umschließen, dessen Länge et wa dem Abstand, den die beiden Wandpartien (6, 7) voneinander aufweisen, umschließen.