DE4340224C2 - Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbe­ strahlung.

Die Verwendung von Plasmen zur Materialienbehandlung wird zunehmend wichtiger; eine Begrenzung ihrer Anwendung stellt jedoch die relativ hohe Energiezufuhr, die zum Erzeu­ gen des Plasmas erforderlich ist, und ebenso die hohe Temperatur der erzeugten aktivierten Gase dar.

Bei vorhandenen Einrichtungen zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellen wird Mi­ krowellenbestrahlung gleichmäßig in einer Kammer benutzt, durch die ein Prozeßgas strömt, das in einen Plasmazustand anzuregen ist. Die Energiedichte ist daher niedrig, wenn nicht eine hohe elektrische Energiezufuhr angewendet wird, und hat daher einen geringen, elektrischen Wirkungsgrad zur Folge.

Aus DE 39 12 569 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektri­ schen Hochfrequenzfeldes in einem Nutzraum bekannt. In der größten Längsausdehnung des Nutzraumes wird eine Phasenwellenlänge erzwungen, die in der Nähe der Längsausdehnung des Nutzraumes oder darüber liegt, oder in dieser Richtung eine aperiodisch gedämpfte Welle erzwungen, wobei die Hochfrequenzleistung dem gewünschten Feldverlauf entsprechend weitgehend senkrecht zur Richtung der Längsausdehnung in den Nutzraum eingekoppelt ist. Der Nutzraum befindet sich innerhalb eines Ankoppelraumes, der über seine gesamte Längs­ ausdehnung wenigstens eine Koppelwand für Hf-Leistung aufweist und der mit einem Ver­ teilerraum in Verbindung steht.

Aus US 3,778,656 ist eine Ionenquelle bekannt, die eine Mikrowellenresonanzkavität ver­ wendet. Die Mikrowellenkavität wird in einem ihrer Resonanzmodi erregt und ein statisches Magnetfeld wird auf die Elektronzyklotronresonanz eingestellt. Die Dichte des Plasmas ist in der Nähe einer Öffnung zum Extrahieren von Ionen am größten und das statische Magnetfeld ist im Wesentlichen null in der Nähe der Extraktionselektroden.

Aus DE 692 10 501 T2 ist eine Elektronzyklotronresonanz-Ionenquelle vom Wellenleitertyp zur Erzeugung mehrfach geladener Ionen bekannt. Diese umfasst einen dichten Behälter, der ein gasförmiges Medium einschließt, um ein Plasma zu bilden, das durch Elektronzyklotron­ resonanz beschleunigte Elektronen enthält. Ein elektromagnetisches Feld höher oder gleich 6 GHz wird in den Behälter eingebracht. Ein Magnetfeld axialer Ausrichtung wird in dem Be­ hälter erzeugt. Permanentmagnete werden verwendet, um ein Magnetfeld in radialer Richtung zu erzeugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine effizientere Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbestrahlung als bisher zu schaffen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbestrahlung nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rück­ bezogenen Ansprüche.

Vorzugsweise sind die Elektroden im Querschnitt rund und der Durchgang ist eine axiale Bohrung in der entsprechenden Elektrode.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden konisch, wobei eine von ihnen in einem scharfkantigen Rand endet, und die andere eine axiale Bohrung mit einem solchen Durchmesser ist, dass sie auch einen scharfkantigen Rand aufweist. Die Elektrode ohne die axiale Bohrung kann mit einem spitzen mittleren Vorsprung versehen sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung ist.

In Fig. 1 weist eine Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbestrahlung eine Kammer 1 auf, die aus einem Glaszylinder 2 und zwei Endstücken 3 bzw. 4 besteht. Der Glaszylinder 2 passt bzw. sitzt in ringförmigen Nuten 5, die in die Endstücke 3 und 4 der Kammer 1 eingearbeitet sind; die Kammer 1 ist mittels O-Ringen 6 gasdicht gemacht. Der Aufbau ist durch Klammern, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind, zusammengehalten.

Die Endstücke 3 und 4 der Kammer 1 sind angepasst, um einen Teil von Hohlleiter-Abschnitten 7 bzw. 8 zu bilden, die entsprechend bemessen sind, um Mikrowellenenergie zu übertragen.

Der Hohlleiter-Abschnitt 7 ist mit einem nicht dargestellten Mikrowellenerzeuger verbunden und der Hohlleiter-Abschnitt 8 weist einen abschließenden Kurzschluß 8' auf, der fest sein kann, oder innerhalb des Hohlleitersabschnitts 8 zur Abstimmung verschoben werden kann.

In den Endstücken 3 und 4 der Kammer 1 ist ein Paar feldver­ stärkender Elektroden 9 bzw. 10 gehaltert.

Die Elektroden 9 und 10 haben eine konische Form und enden in scharfen ringförmigen Spitzen. Die Elektrode 9 ist einstellbar, so daß der Abstand 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 verän­ dert werden kann. Geeignete Abstände liegen im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm. Die Elektrode 9 hat einen in ihr ausgebildeten Kanal 12, durch den ein Kühlmittel geleitet werden kann. Die Elektro­ de 10, die mit dem Endstück 4 der Kammer 1 eine Einheit bildet, hat einen in ihr ausgebildeten, axial verlauf enden Durchgang 13, durch den ein Prozeßgas, das in dem Zwischenraum 11 zwichen den Elektroden 9 und 10 in einen Plasmazustand erregt worden ist, aus der Kammer 1 entnommen werden kann. Eine Einlaßaöff­ nung 14 für das Prozeßgas geht durch das Endstück 3 der Kammer 1 hindurch.

Das Endstück 4 der Kammer 1 ist hohl, so daß ein Kühlmittel durch dies geleitet werden kann. Die Endstücke 3 und 4 der Kam­ mer 1 und die Elektroden 9 und 10 sind aus rostfreiem Stahl hergestellt. Sie können aus anderen Materialien, wie einer Alu­ miniumlegierung hergestellt sein, wobei die scharfen Enden aus Molybdän oder anderem feuerfesten Metall, wie Wolfram, beste­ hen.

Die ringförmige Form der spitzen Enden der Elektroden 9 und 10 hat eine Anzahl Wirkungen. Erstens die normale elektrische Feldverstärkung, zu der es kommt, wenn scharfe Spitzen einander gegenüberliegen. Zweitens gibt es in der dargestellten Geome­ trie, einen beträchtlichen Druckabfall in dem Prozeßgas, wenn es durch den schmalen Zwischenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 strömt, bevor es in den Durchgang 13 in der Elektrode 10 eintritt. Dies macht es nicht nur leichter, das Prozeßgas in dem Plasmazustand in dem Zwischenraum 11 und nicht irgendwo in der Kammer 1 zu erregen, wo der Druck des Prozeßgases höher ist, sondern der radiale Druckgradient im Bereich der Spitzen begrenzt auch das Plasma auf den Bereich zwischen den Elektro­ den 9 und 10. Ebenso bewirkt die dargestellte Geometrie, daß das gesamte Prozeßgas während seines Durchgangs durch den Zwi­ schenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 unter rechtem Winkel zu dem maximalen elektrischen Feldbereich strömt; somit ist die Effizienz zur Erregung des Prozeßgases in den Plasmazu­ stand maximiert und so die zugeführte Energie verringert, die zum Erzeugen von Plasma notwendig ist. Das kleine Entlade-Vo­ lumen das von gut gekühlten Wänden umgeben ist, bedeutet, daß die Plasmatemperatur relativ niedrig gehalten wird, obwohl sie durch Elektronen, die in den hochelektrischen Feldern beschleunigt worden sind, angeregt wurde. Ferner kann, da sich die elektrische Feldverteilung im Betrieb der Vorrich­ tung nicht sehr von der Feldverteilung unterscheidet, die exi­ stiert, wenn kein Plasma vorhanden ist, die Vorrichtung selbst­ umlaufend ausgeführt sein.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung darge­ stellt, deren Komponenten, die gleich den entsprechenden Kompo­ nenten der ersten Ausführungsform sind, dieselben Bezugszeichen haben.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Glaszylinder 5 durch einen Block 21 aus glasfaserverstärk­ tem Polytetrafluorethylen ersetzt, obwohl auch andere inerte, nicht-leitende Materialien verwendet werden können. Der Block 21 hat eine zylindrische Innenfläche 22 und einen Durchlaß 23, der an einem Ende mit dem Gaseinlaß 14 verbunden ist und an dem anderen Ende tangential zu der Innenfläche 22 des Blocks 21 verläuft. Somit strömt Gas tangential in die Kammer 1, die durch den Block 21 und die Endstücke 3 und 4 gebildet ist, und spiralförmig um die Elektroden 9 und 10, bevor es in dem Zwi­ schenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 gelangt. Dieses spiralförmige Strömungsmuster erhöht die Stabilität der elek­ trischen Entladung zwischen den Elektroden 9 und 10, so daß bei einer konsequenten Zunahme des Durchsatzes an aktiviertem Gas Elektrodenspitzen mit größerem Durchmesser verwendet werden können. Beispielsweise ermöglicht ein Durchmesser von 0,8 mm an der Spitze und der Öffnung 24 des Durchgangs 13 in der Elektro­ de 10 und ein Zwischenraum 11 von 0,2 mm von 100 shpm an akti­ viertem Gas. Die Entladungsstabilität wird ferner mittels eines mittleren Vorsprungs 25 am Ende der Elektrode 9 erhöht, und der Gasstrom in die Öffnung 24 des Durchgangs 13 in der Elektrode 10 wird dadurch gesteigert, daß die Innenfläche 26 der Öffnung 24 trompetenförmig ausgebildet ist.

Die Elektrode 10 ist mit einer austauschbaren Spitze 27 verse­ hen, und ein O-Ring 28 ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß keine Gasundichtigkeit entlang des Schraubengewindes 29 auf­ tritt; dadurch wird die Lage der Elektrode 9 geändert, so daß der Zwischenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbestrahlung, mit einer Kam­ mer, die mit einem Hohlleitersystem verbunden ist, um elektromagnetische Strahlung im Mi­ krowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums zu übertragen, und mit einer Einlaßöff­ nung, über welche ein in einen Plasmazustand anzuregendes Prozeßgas zugeführt werden kann, wobei mindestens ein Paar feldverstärkender Elektroden (9, 10) vorgesehen ist, die senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellenstrahlung durch die Kammer (1) an­ geordnet sind, und wobei mindestens eine der Elektroden (10) des Elektrodenpaares (9, 10) einen Durchgang (13) hat, der so ausgebildet ist, daß das angeregte Prozeßgas aus dem Be­ reich der Kammer (1) zwischen den feldverstärkenden Elektroden (9, 10) extrahiert werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 10) in scharfkantigen Spitzen enden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 10) eine konische Form haben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen ringförmig sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (13) eine axiale Bohrung in der entsprechenden Elektrode (10) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der Elektrode (9) eines Elektrodenpaares (9, 10), die keine axiale Bohrung (13) aufweist, einen axialen spitz zulaufenden Vorsprung (25) hat, der von einem scharfkantigen Ring umgeben ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand (11) zwischen den Elektroden (9, 10) veränderlich ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (14) so angeordnet ist, daß das Prozeßgas in die Kammer (1) des Generators mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (9, 10) in dem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm liegt.