DE4037090C2

DE4037090C2 - Vorrichtung zum Auskoppeln von Mikrowellenleistung aus einem ersten Raum in einen zweiten Raum

Info

Publication number: DE4037090C2
Application number: DE19904037090
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Geisler; Michael Jung; Bernhard Kessler
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1990-11-22
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2010-11-23
Also published as: DE4037090A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der US 2 394 398 bekannt ist.

Bei der Großflächenbeschichtung mit Hilfe der glimmentladungsunterstützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase tritt das Problem auf, ein Gas oder Gasgemisch über eine größere Fläche gleichmäßig zu ionisieren, damit sich ein homogenes Plasma bildet. Eine vielfach realisierte Möglichkeit, das Gas oder Gasgemisch zu ionisieren, besteht darin, Mikrowellenenergie in das Gas einzuführen. Hierbei wird die Mikrowellenenergie aus einem Hohlleiter oder einem Hornstrahler durch ein Quarzfenster in einen Plasmaraum eingestrahlt. Da sich die Abmessungen des Hohlleiters bzw. des Hornstrahlers nicht belie big vergrößern lassen, ergibt sich dann, wenn die Plasmakammer wesentlich größer als die Einstrahlungsfläche des Hohlleiters bzw. Hornstrahlers ist, eine inhomogene Ionisierung des Gases oder Gasgemischs. Die Größenbeschränkung der Hohlleiter oder Hornstrahler beruht im wesentlichen auf dem Umstand, daß sich Mikrowellen quasi-optisch ausbreiten. Demzufolge ist auch die Auskopplung der Mikrowellen aus einem ersten Raum, nämlich dem Hohlleiter oder Hornstrahler, in einen zweiten Raum - die Plasmakammer - eine opti sche, weshalb zwischen beiden Räumen ein optisch durchsichtiges Medium, in der Regel eine Quarzscheibe, liegt.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung mit Mikrowellenbehandlung bekannt, bei der Mikrowellenenergie aus einem ersten Raum in einen zweiten Raum ausgekoppelt werden kann (DE 30 43 693 A1). Hierbei ist allerdings weder eine Primär- noch eine Sekundär-Schleifenantenne für die Auskopplung vorgesehen, sondern nur ein einfaches Stück Draht, das von dem ersten in den zweiten Raum führt.

In einer weiteren bekannten Koppelvorrichtung für sehr kurze elektromagnetische Wellen ist zwar eine offene Schleife als abstrahlende Antenne vorgesehen, doch fehlt eine entsprechende Schleife als Empfangsantenne (DE-AS 19 30 071).

Eine andere bekannte Plasma-Ätzvorrichtung mit einem Mikrowellengenerator weist eine Kopplungseinrichtung auf, die Mikrowellenenergie einem Entladungsraum zuführt (DE 27 16 592 C3). Hierbei ist die die Mikrowellenenergie zuführende Kopplungseinrichtung allerdings als runder Hohlleiter ausgebildet.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Erzeugung eines Mikrowellenplasmas wird die Mikrowellenenergie mittels Wellenleiter und Koppelelementen in einen Plasmaraum geleitet (DD 263 648). Hierbei ist jedoch keine gasdichte Wand zwischen dem Plasmaraum und dem Mikrowellenleiter vorgesehen.

Schließlich ist auf die eingangs erwähnte Antenneneinrichtung zum Auskoppeln von Mikrowellenleistung aus einem ersten Raum in einen zweiten Raum hinzuweisen, wobei zwischen beiden Räumen eine gasdichte Trennwand angeordnet ist (US 2 394 398). Die Koppeleinrichtung weist zwei Antennen auf, die jeweils in einen der beiden Räume ragen und als Schleife ausgebildet sind. Diese Einrichtung ist jedoch für die Auskopplung großer Energien nicht geeignet, weil keine hinreichende Abfuhr der Wärme von den sich erwärmenden Elektroden erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Antennenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die an der Koppeleinrichtung zwischen Primär- und Sekundärantenne auftretende Wärme sicher abzuführen.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche haben Ausführungsarten der Erfindung zum Gegenstand.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch die Wärmeenergie, die das Plasma an die Sekundärantenne und damit an die Mittelelektrode abgibt, sicher abgeführt wird. Bedingt durch den erweiterten Durchmesser der Mittelelektrode, der sich aufgrund des Kragens ergibt, ist die Auflagefläche und damit die Wärmeübergangsfläche zwischen den beiden Keramikscheiben vergrößert. Die von der Mittelelektrode über den ringförmigen Kragen, zwei Keramikscheiben, eine Metalldichtung und eine Einpreßscheibe aufgenommene Wärmeenergie wird über einen dem Mikrowellen-Raum zugeneigten Teil an die Trennwand abgegeben. Somit ist eine wirkungsvolle Kühlung der Mittelelektrode gewährleistet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Koppelelements;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Koppelelement.

In der Fig. 1 ist eine als Koppelelement 1 zu bezeichnende Antennenvorrichtung dargestellt, die eine Primär antenne 2 und eine Sekundärantenne 3 aufweist. Zwischen den beiden Antennen befindet sich eine Buchse 4, die einen oberen Teil 5 mit großem Außendurchmesser und einen unte ren Teil 6 mit kleinem Außendurchmesser aufweist. Die obere Buchse 5 wird durch eine Verschlußschraube 7 abgeschlossen, deren Außengewinde in ein Innengewinde des Teils 5 der Buchse 4 eingreift.

Die Primärantenne 2 und die Sekundärantenne 3 besitzen die Form einer offenen Schleife, wobei jeweils ein Ende 8, 9 der Schleifen mit der Buchse 4 verbunden ist. Das andere En de der Schleife der Primärantenne 2 ist über eine Schraube 10 mit einem Ende einer Mit telelektrode 11 verbunden, während das andere Ende dieser Mittelelektrode 11 mit einer Dunkelraumkappe 12 in Verbindung steht, an die das andere Ende 13 der Sekundärantenne 3 angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen Dunkelraumkappe 12, Sekundärantenne 3 und Mittelelektrode 11 erfolgt über eine Schraube 14.

Das in der Fig. 1 dargestellte Koppelelement 1 kann einzeln oder mit mehreren gleicharti gen Koppelelementen zusammen in einer Trennwand zwischen einen Plasmaraum und einen Mikrowellenraum eingeschoben werden.

In der Fig. 2 ist das Koppelelement 1 gemäß Fig. 1 noch einmal im Schnitt dargestellt, wo bei dieses Koppelelement 1 in eine Trennwand 20 eingesetzt ist. Oberhalb der Trennwand 20, d. h. im Raum 21 befindet sich z. B. Luft, während im Raum 22 unterhalb der Trenn wand 20 Plasma vorhanden ist. In den Raum 21, der z. B. ein Hohlraumresonator ist, brei tet sich eine Mikrowelle aus, und zwar vorzugsweise als stehende Welle. Aus dieser ste henden Welle wird Mikrowellenenergie durch die Primärantenne 2 ausgekoppelt und durch die Sekundärantenne 3 in das Plasma des Raums 22 eingekoppelt.

Beide Antennen 2, 3 sind über eine Mittelelektrode 11 miteinander verbunden, welche die Form eines Stifts hat, der etwa in seinem mittleren Bereich einen Kragen 24 aufweist. Oberhalb und unterhalb dieses Kragens 24 sind jeweils eine Keramikscheibe 25, 26 ange ordnet, wobei sich die untere Keramikscheibe 26 über eine Dichtung 27 auf dem Boden 28 der Buchse 4, der eine Öffnung 29 aufweist, abstützt.

Oberhalb der oberen Keramikscheibe 25 ist eine Einpreßscheibe 30 vorgesehen, über der sich eine Verschlußschraube 7 befindet, die mit ihrem Außengewinde in das Innengewinde des oberen Teils 5 der Buchse 4 eingreift. Der obere Teil 5 der Buchse sitzt auf einem Vor sprung 32 einer Durchbohrung 33 der Trennwand 20 auf, und zwar über eine Elastomer Dichtung 34. Die Abdichtung zwischen der Atmosphäre im Raum 21 und dem Vakuum im Raum 22 wird im wesentlichen durch die Elemente 24, 26, 27 und 28 bewirkt. Die Kera mikscheibe 25 dient zur Kraftübertragung und zur elektrischen Isolation zwischen der Mit telelektrode 11 und der Einpreßscheibe 30. Die Einpreßscheibe, die aus Weichmetall, z. B. Silber, Kupfer oder Aluminium besteht, wird zudem in die wesentlich härtere Oberfläche der Keramikscheibe 25 gepreßt, was zu einem sehr intensiven Oberflächenkontakt zwi schen der Einpreßscheibe 30 und der Oberfläche der Keramikscheibe 25 führt. Durch eine solche Verbindung lassen sich Dichtungssysteme mit einer Leckrate deutlich kleiner als 10·10^-8 mbar l/sec für Helium herstellen.

Die Preßkraft, die auf die Einpreßscheibe 30 einwirkt, wird mit der Verschlußschraube 7 aufgedrückt. Hierzu wird die Einpreßscheibe 30, deren Außendurchmesser ein Übermaß gegenüber der Bohrung 35 in der Buchse 4 besitzt; zunächst mittels einer Vorrichtung ein gepreßt. Dreht man die Verschlußschraube 7 weiter, wird die Kombination aus Metalldich tung 30, untere Keramikscheibe 26, Kragen 24 der Mittelelektrode 11, obere Keramik scheibe 25 und Einpreßscheibe 30 gespannt. Bei weiterer Steigerung des Anzugsmoments der Verschlußschraube 7 setzt zunächst die Verformung an der Dichtkante 36 des Kragens 24 an der Mittelelektrode 11 ein. Wird weiter gespannt, verformt sich auch der Metalldich tring 27. Die Flächenbelastungen in dem Paket aus Metalldichtung 27, unterer Keramik scheibe 26, Mittelelektrode 11, oberer Keramikscheibe 25 und Einpreßscheibe 30 sind der art ausgelegt, daß nur an den Dichtflächen eine Verformung der Metallflächen in der be schriebenen Reihenfolge stattfindet.

Als Keramikscheiben 25, 26 werden vorzugsweise solche aus Al₂O₃ verwendet, das eine Wärmeleitfähigkeit λ hat, die etwa zehnmal geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit λ der Mittelelektrode 11. Um eine sichere Ableitung der Wärmemenge, die der Querschnitt der Mittelelektrode 11 aus Metall übertragen kann, sicherzustellen, muß eine entsprechend große Fläche an der Keramikscheibe 25, 26 zur Wärmeübertragung benutzt werden. Diese Fläche wird durch den Kragen 24 der Mittelelektrode 11 zur Verfügung gestellt, da Ober- und Unterseite des Kragens 24 in gutem, flächigen Kontakt mit den Keramikscheiben 25, 26 stehen.

Die Wärmeableitung oberhalb bzw. unterhalb der Keramikscheiben 25, 26 wird einerseits von der Einpreßscheibe 30 und andererseits von der Metalldichtung 27 übernommen. Die Kompensation der leicht unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften der Materia lien der Dichtelektrode 11 und der Dichtringe 30, 25, 26, 27 einerseits und des Materials der Buchse 4 andererseits wird durch das Verhältnis zwischen der Dicke des Kragens 24 der Mittelelektrode 11 und der Dicke der Keramikscheiben 25, 26 eingestellt. Eine durch unterschiedliche Wärmedehnung der Keramik-Metallverbindung mögliche Verschiebung der Dichtflächen gegeneinander wird durch eine ausgeprägte Verzahnung bei gleichzeitig hohen Preßkräften, die auf diese Flächen wirken, verhindert. Die Einpreßscheibe 30 kann auch als Federelement, z. B. aus Kupferberyllium, ausgebildet sein, um die Spannkräfte auch nach erheblichen thermischen Überlastungen des Kopplers 1 zu sichern.

Der Außendurchmesser der Einpreßscheibe 30 wächst durch den Preßvorgang. Dadurch wird zwischen dem Außenrand der Einpreßscheibe 30 und der Innenwand der Buchse 4 ein sicherer und mikrowellentechnisch brauchbarer Kontakt hergestellt. Die Einpreßschei be 30 verhält sich daher mikrowellentechnisch wie der Boden der Buchse 4. Die Elasto mer-Dichtung 34 die durch die Abdichtung des Koppelelements 1 zur Trennwand 20 hin erfolgt, wird durch eine metallische Kassette, gebildet aus einer Dichtnut an der Buchse 5 und einer Dichtfläche 32 an der Trennwand 20, vor Mikrowellenfeldern abgeschirmt und dadurch vor Zerstörung geschützt. Gleichzeitig dient dieser durch Schrauben angepreßte metallische Kontakt der Buchse 5 zur Übertragung von Wärme.

Durch das erfindungsgemäße Koppelelement 1 können Innen- und Außendurchmesser der koaxialen Durchführung durch die Trennwand 20 in weiten Grenzen geändert werden. Bei spielsweise können der Durchmesser der Mittelelektrode 11, deren Kragen 24, der Durch messer der Keramikscheiben 25, 26, die Bohrungen in der Verschlußschraube 7 oder im Boden der Buchse 4 so gewählt werden, daß der koaxialen Durchführung ein Wellenwi derstand zugeordnet werden kann. Die elektrische Länge der koaxialen Durchführung be trägt vorzugsweise λ/2, wobei λ die Mikrowellenlänge ist.

Die Dunkelraumkappe 12 besteht aus metallischem Material und ist so gestaltet, daß sie ein Eindringen von Ladungsträgern aus dem Plasma in die Isolationsspalte der koaxialen Durchführung verhindert. Damit wird die Aufrechterhaltung einer unselbständigen Entla dung im Isolationsspalt unterbunden. Ferner sind die Spalten zwischen dem Koppelele ment 1 und der Trennwand 20 durch Einhaltung des Dunkelraumabstands so dimensio niert, daß auch eine selbständige Entladung innerhalb eines weiten Druckbereichs nicht existieren kann. Die Dunkelraumkappe 12 verhindert zudem dauerhaft eine Beschichtung bzw. Verschmutzung des Koppelelements 1. Oberteil 5 und Unterteil 6 des Koppelele ments 1 lassen sich durch mechanische Reinigungsmethoden, z. B. durch Abbürsten, Glas perlenstrahlen etc., problemlos reinigen. Die Topf- oder Glockenform der Dunkelraumkap pe 12 hat sich zudem mikrowellentechnisch bewährt.

Sowohl die Primärantenne 2 als auch die Sekundarantenne 3 können als H-Schleife mit l/λ «1 als auch als Ringantenne bzw. Faltdipolantenne mit l/λ≈<1 oder auch als kapazitive Koppelstifte ausgebildet werden. Vorzugsweise werden die Antennen 2, 3 als Ringanten nen ausgeführt. Dabei sollen sowohl der ansteigende als auch der absteigende Antennenteil keine größeren Krümmungen aufweisen und bereichsweise möglichst parallel verlaufen. Die Fußpunkte der Antennen 2, 3 können aufgeschraubt, gelötet, geschweißt oder ge klemmt werden. Radien und Längen, d. h. die Geometrie der Antennen 2, 3 sind so ge wählt, daß im Bereich der Dunkelraumkappe 12 und weitgehend auch im anschließenden Teil des Koppelelements 1 die Spannungen auf den Antennen bzw. auf der Mittelelektrode 11 gering sind.

Die Koppeldämpfung zwischen dem durch den Raum 21 symbolisierten Hohlleiter-Reso nator und einem durch den Raum 22 symbolisierten PCVD-Reaktor kann durch die Größe der Primärantenne 2 oder auch durch deren Orientierung relativ zur Achse des Hohlleiter- Resonators eingestellt werden.

Claims

1. Antennenvorrichtung zum Auskoppeln von Mikrowellen-Leistung aus einem Mikrowellenraum (21) in einen Plasmaraum (22), mit:

a) einer gasdichten Trennwand (20) zwischen dem Mikrowellenraum (21) und dem Plasmaraum (22);
b) einer Primärantenne (2) in dem Mikrowellenraum (21);
c) einer Sekundarantenne (3) im Plasmaraum (22);
d) einer elektrischen Koppeleinrichtung (4) zum Koppeln der Primärantenne (2) mit der Sekundärantenne (3), wobei die Koppeleinrichtung (4) einen stabförmigen inneren Bereich (11) und einen hülsenförmigen äußeren Bereich (5, 6) aufweist, der den inneren Bereich (11) koaxial umgibt,
gekennzeichnet durch
e) eine wärmeleitende Vorrichtung (24), die mit dem stabförmigen inneren Bereich (11) verbunden ist und einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser des stabförmigen inneren Bereichs (11) ist;
f) ein erstes elektrisch isolierendes, aber wärmeleitendes Teil (25), das mit der zum Mikrowellenraum (21) gerichteten Seite der wärmeleitenden Vorrichtung (24) in Berührung steht und das mit dem hülsenförmigen äußeren Bereich (6) mittelbar oder unmittelbar Kontakt hat;
g ein zweites elektrisch isolierendes, aber wärmeleitendes Teil (26), das mit der zum Plasmaraum (22) gerichteten Seite der wärmeleitenden Vorrichtung (24) in Berührung steht und das mit dem hülsenförmigen äußeren Bereich (6) mittelbar oder unmittelbar Kontakt hat.

2. Antennenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige innere Bereich (11) eine Mittelelektrode und der hülsenförmige äußere Bereich (5, 6) eine Außenelektrode ist.

3. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärantenne (2) im wesentlichen die Form einer offenen Schleife hat, wobei das eine Ende dieser offenen Schleife mit dem stabförmigen inneren Bereich (11) verbunden ist, während das andere Ende (9) dieser Schleife mit dem hülsenförmigen äußeren Bereich (5, 6) in Verbindung steht, der durch eine Trennwand (20) geführt ist, die sich zwischen dem Mikrowellenraum (21) und dem Plasmaraum (22) befindet.

4. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärantenne (3) im wesentlichen die Form einer offenen Schleife hat, wobei das eine Ende (13) dieser offenen Schleife über eine Dunkelraumkappe (12) mit dem stabförmigen inneren Bereich (11) verbunden ist, während das andere Ende (8) dieser Schleife mit dem hülsenförmigen äußeren Bereich (5, 6) in Verbindung steht, der durch eine Trennwand (20) geführt ist, die sich zwischen dem Mikrowellenraum (21) und dem Plasmaraum (22) befindet.

5. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige äußere Bereich (5, 6) plasmaseitig eine kleine Öffnung (29) und mikrowellenseitig eine große Öffnung besitzt.

6. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige äußere Bereich (5, 6) einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei der obere Bereich der U-Schenkel gegenüber dem unteren Bereich nach außen versetzt ist.

7. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (20) eine Ausnehmung für die Aufnahme des hülsenförmigen äußeren Bereichs (5, 6) besitzt, wobei diese Ausnehmung einen Absatz (32) aufweist, auf dem die Buchse (4) aufsitzt.

8. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Teile (25, 26) Keramikscheiben sind.

9. Antennenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Keramikscheibe (26) und dem hülsenförmigen äußeren Bereich (5, 6) eine Metalldichtung (27) vorgesehen ist.

10. Antennenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Keramikscheibe (25) und einer Verschlußmutter (7) eine Einpreßscheibe (30) vorgesehen ist.