DE4431785A1 - Plasmagerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasmagerät mit einer Plasmakammer, in der durch Einleitung elektromagnetischer Energie ein Plasma erzeugbar ist. Plasmageräte dienen beispielsweise zur Bearbei­ tung von Gegenständen und Materialien, als Ionenstrahlquelle o. ä.. Im industriellen Maßstab ist es bekannt, Acetylen aus Kohlenwasserstoffen im Plasma herzustellen. Bekannt ist ferner die Herstellung von Reduktionsgasen, beispielsweise zur Reduk­ tion von Eisenerzen. Mit Plasmen werden ferner metallische und keramische Puder hergestellt, die dann ferner zur Plasmabe­ schichtung von Gegenständen geeignet sind. Die Oberflächenbe­ arbeitung von Gegenständen im Plasma kann ferner in Form einer thermischen Härtung durchgeführt werden.

Bekannte Plasmageneratoren benutzen die Ausbildung eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden zur Herstellung des Plas­ mas, wobei mit Magnetfeldspulen die Plasmaausbildung beein­ flußt werden kann. Bekannt ist ferner die elektrodenlose Aus­ bildung eines Plasmas induktiv mit hochfrequenten elektro­ magnetischen Wellen. Mit dieser Methode ist eine halbwegs gleichmäßige Ausbildung des Plasmas in einem kleinen Raum, beispielsweise in einer Entladungsröhre, erreichbar.

Die bekannten Plasmageneratoren erfordern einen erheblichen Aufwand, was einer Bearbeitung von Gegenständen und Materia­ lien mit dem Plasma in vielen Fällen aus Kostengründen ent­ gegensteht. Ferner gelingt es mit den bekannten Plasmagenera­ toren nicht, in größeren Plasmakammern eine einigermaßen gleichmäßige Ausbildung des Plasmas zu erreichen.

Das Problem, in einer Plasmakammer mit einem einfachen Aufbau ein leistungsfähiges und relativ gleichmäßiges Plasma zu er­ zeugen, wird erfindungsgemäß mit einem Plasmagerät der ein­ gangs erwähnten Art gelöst, das gekennzeichnet ist durch

• - einen rechteckigen Hohlleiter mit einem Hochfrequenzgene­ rator zur Erzeugung von Hochfrequenzenergie in dem Hohl­ leiter und mit einem seitlichen Fenster zur Auskopplung von Hochfrequenzenergie,
• - einen seitlich an den Hohlleiter anschließenden und mit diesem über das Fenster verbundenen Übertragungsraum, der sich parallel zur Plasmakammer erstreckt und
• - eine Trennwand zwischen dem Übertragungsraum und der Plasmakammer,
• - wobei die Verteilung der durch die Trennwand in die Plas­ makammer übertragenen Hochfrequenzenergie durch ein mit Durchgangsöffnungen versehenes metallisches Blech in der Trennwand und/oder eine angepaßte Geometrie des Übertra­ gungsraumes beeinflußbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Anregungsenergie für das Plasma durch einen Hochfrequenzgenerator in einem rechteckigen Hohlleiter erzeugt. Bezüglich der Länge des Hohlleiters wird die Hochfre­ quenzenergie, vorzugsweise Mikrowellenenergie, seitlich über ein Fenster aus gekoppelt und gelangt in einen Über­ tragungsraum, der vorzugsweise als mit metallischen Wänden begrenzter Hohlraum ausgebildet ist. Der Übertragungsraum er­ streckt sich parallel zur Plasmakammer, so daß die Trennwand zwischen Plasmakammer und Übertragungsraum für beide eine große Seitenwand bildet. Plasmakammer und Übertragungsraum sind vorzugsweise etwa gleich lang und gleich breit ausgebil­ det.

Die durch die Durchgangsöffnungen des metallischen Blechs der Trennwand hindurchtretende, in die Plasmakammer gelangende Hochfrequenzenergie kann in ihrer Verteilung über die Breite und Länge der Plasmakammer durch eine geeignete Verteilung der Durchgangsöffnungen gesteuert werden, so daß eine ungleich­ mäßige Energieverteilung kompensiert werden kann.

Dieser Effekt kann ferner dadurch erreicht werden, daß der Übertragungsraum eine angepaßte Geometrie aufweist. Diese Geo­ metrie kann fest vorgegeben sein. Zweckmäßigerweise ist die Geometrie des Übertragungsraumes einstellbar, vorzugsweise dadurch, daß die der Trennwand gegenüberliegende Wand des Übertragungsraums verschiebbar und/oder bezüglich ihrer Nei­ gung relativ zur Trennwand einstellbar ist. Beispielsweise wird die Neigung dieser Wand über die Breite der Übertragungs­ kammer so ausgebildet, daß mit zunehmendem Abstand vom Fenster der Abstand der verstellbaren Wand zur Trennwand geringer wird, um somit eine ungleichmäßige Energieverteilung aufgrund der verschieden langen Ausbreitungswege auszugleichen.

Die Plasmakammer und der Übertragungsraum sind im wesentlichen als rechteckige Räume ausgebildet, wenn man von der möglichen Schrägstellung der verstellbaren Wand des Übertragungsraums gegenüber der Trennwand absieht.

Die Trennwand weist vorzugsweise zusätzlich zu dem metal­ lischen Blech eine dielektrische Wand auf, die die Plasmakam­ mer begrenzt, so daß das Plasma keinen unmittelbaren Kontakt mit dem metallischen Blech aufweist. Ein direkter Kontakt des Plasmas mit dem metallischen Blech würde Metallmoleküle frei­ setzen, die das Plasma verunreinigen würden.

Das Fenster zwischen dem Hohlleiter und dem Übertragungsraum kann mit einer mit zunehmendem Abstand vom Hochfrequenzgenera­ tor über die Länge des Hohlleiters zunehmenden wirksamen Öff­ nungsfläche ausgebildet sein, um so eine gleichmäßige seit­ liche Energieauskopplung unabhängig vom Abstand vom Hochfre­ quenzgenerator zu ermöglichen. Dabei kann sich das Fenster stetig keilförmig oder unstetig treppenförmig vergrößern oder auch mehrere aneinandergereihte Durchgangsöffnungen mit zuneh­ mender Öffnungsfläche aufweisen.

Die Plasmakammer kann mit wenigstens einer bewegbaren, elek­ trisch leitenden Wand in seiner Größe veränderbar sein, was sich insbesondere für die Bearbeitung unterschiedlich großer Gegenstände anbietet. Die bewegbare Wand liegt dabei vorzugs­ weise der Trennwand gegenüber und kann als Hubtisch ausgebil­ det sein.

Zur Erhöhung der Ionendichte kann die der Trennwand gegenüber­ liegende Wand in an sich bekannter Weise mit einer Vielzahl von Permanentmagneten bestückt sein.

Die Wand kann alternativ aus wenigstens einem Gitter gebildet sein, so daß die Plasmakammer als Ionenquelle fungiert.

In allen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Hochfrequenzgene­ rator im Pulsbetrieb arbeiten zu lassen, wobei die Puls­ frequenz des Hochfrequenzgenerators einstellbar ist, um so eine einfache Leistungseinstellung für die Anregungsenergie des Plasmas zu ermöglichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plasmageräts

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht des Geräts gemäß Fig. 1

Fig. 3 eine Seitenansicht des Geräts gemäß Fig. 2 mit einer anderen Ausführungsart des Fensters

Fig. 4 eine Seitenansicht gemäß Fig. 3 mit einer wei­ teren Modifikation des Fensters

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines metallischen Blechs zwischen Übertra­ gungsraum und Plasmakammer

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des metallischen Bleches

Fig. 7 eine Darstellung gemäß Fig. 1 mit einer Anord­ nung von Permanentmagneten an einer Wand der Plasmakammer

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Anordnung der Permanentmagneten gemäß Fig. 7

Fig. 9 eine Darstellung gemäß Fig. 1 mit einer Aus­ bildung einer Wand der Plasmakammer als Sieb zur Bildung einer Ionenquelle.

Fig. 1 läßt einen rechteckigen Hohlleiter 1 erkennen, der durch metallische Wände begrenzt ist. In einer bezüglich der Längsrichtung des Hohlleiters kleinen Seitenwand befindet sich ein Fenster 2, durch den eine Verbindung des Innenraums des Hohlleiters 1 mit dem Innenraum eines kubischen metallischen Gehäuses 3 hergestellt wird. In dem metallischen Gehäuse 3 ist ein sich an den Innenraum des Hohlleiters 1 über das Fenster 2 anschließender Übertragungsraum 4 ausgebildet, der durch eine um 90° zur Ebene des Fensters 2 gedrehte Trennwand 5 von einer Plasmakammer 6 getrennt ist. Die Trennwand 5 besteht aus einem metallischen Blech 7 und einer dielektrischen Wand 8, die bei­ spielsweise durch eine Al₂O₃-Keramik oder eine Quarzplatte ge­ bildet sein kann.

Gegenüberliegend von der Trennwand 5 und jenseits des Fensters 2 ist die Übertragungskammer 4 durch eine verschiebbare und verstellbare metallische Wand 9 begrenzt. Die metallische Wand 9 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit vier Ver­ stellstäben 10 verbunden, mit denen die metallische Wand 9 sowohl in ihrem Abstand als auch in ihrer Neigung zur Trenn­ wand 5 einstellbar ist.

Die Plasmakammer 6 ist auf der der Trennwand gegenüberliegen­ den Seite durch eine metallische Wand 11 begrenzt, die paral­ lel zur Trennwand 5 verschiebbar ausgebildet ist und so einen Hubtisch 11a bildet.

Der Übertragungsraum 4 ist abgesehen von der Trennwand 5 und der metallischen Wand 9 durch die Wände des kubischen Gehäuses 3 begrenzt. In gleicher Weise ist die Plasmakammer 6, abgese­ hen von der Trennwand 5 und der metallischen Wand 11 ebenfalls durch die metallischen Wände des kubischen metallischen Gehäu­ ses 3 begrenzt.

Fig. 2 verdeutlicht, daß in dem Rechteckhohlleiter 1 ein Hochfrequenzgenerator 12 angeordnet ist, dessen abgegebene Hochfrequenzenergie aus dem Hohlleiter 1 über das Fenster 2 seitlich ausgekoppelt wird. Da die Hochfrequenzenergie des Hochfrequenzgenerators 12 mit Abstand vom Hochfrequenzgenera­ tor 12 abnimmt, ist in dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel das Fenster 2 mit zunehmendem Abstand vom Hoch­ frequenzgenerator 12 keilförmig verbreitert ausgebildet, um mit zunehmendem Abstand eine stärkere Auskopplung der Hochfre­ quenzenergie in den Übertragungsraum 4 zu gewährleisten.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des Fensters 2′ wird der gleiche Effekt durch eine stufenförmige Verbreite­ rung des Fensters 2′ mit zunehmendem Abstand von dem Hochfre­ quenzgenerator 12 erreicht.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Fenster 2′′ dazu, eine bewußt ungleichmäßige Auskopplung von Hochfrequenzenergie in den Übertragungsraum 4 vorzunehmen, wodurch beispielsweise eine gezielte Abschwächung des Plasmas über die Länge der Anordnung vorgenommen werden kann. Das Fen­ ster 2′′ verbreitert sich mit zunehmendem Abstand von dem Hochfrequenzgenerator 12 treppenförmig bis zur Mitte der Länge des Gehäuses 3, um sich dann symmetrisch wieder zu verschmä­ lern.

Die in den Übertragungsraum 4 (Fig. 1) ausgekoppelte Hochfre­ quenzenergie tritt durch die Trennwand 5 in die Plasmakammer 6 ein, um dort das Plasma zu zünden. Die Anregungsenergie wird bezüglich der Energieverteilung vergleichmäßigt durch eine geeignete Einstellung der Neigung der einstellbaren metal­ lischen Wand 9 mit Hilfe der Verstellstäbe 10. Durch eine Ver­ stellung der Wand 9 kann ferner die Intensität der in die Plasmakammer 6 eingeleiteten Energie beeinflußt werden.

Eine weitere Beeinflussung der räumlichen Verteilung der in die Plasmakammer 6 eingeleiteten Hochfrequenzenergie erfolgt durch das metallische Blech 7, das zu diesem Zweck mit syste­ matisch verteilten Durchgangsöffnungen 13 versehen sein kann. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchgangsöffnungen 13 als kreisförmige Öffnungen 14 ausgebil­ det, wobei die näher zum Fenster 2 liegenden Öffnungen 14 einen kleineren Durchmesser aufweisen als die jeweils entfern­ ter liegenden Öffnungen 14. Auf diese Weise dann ebenfalls eine ungleichmäßige Energieverteilung aufgrund der verschieden langen Ausbreitungswege ausgeglichen werden.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der gleiche Effekt durch unterschiedlich breite Längsschlitze 15 in dem metallischen Blech erreicht.

Die in die Plasmakammer eingeleitete Anregungsenergie für das Plasma läßt sich daher in ihrer räumlichen Verteilung bei dem erfindungsgemäßen Plasmagerät in mehrfacher Weise beeinflus­ sen, nämlich

• - durch eine entsprechende Formgebung des Fensters 2, 2′, 2′′,
• - durch die Einstellung des Abstandes und gegebenenfalls der Neigung der verstellbaren Wand 9 relativ zur Trenn­ wand 5 und
• - durch räumlich ungleichmäßige Beeinflussung der Kopplung zwischen Übertragungsraum 4 und Plasmakammer 6 mit Hilfe der Durchgangsöffnungen 13 im metallischen Blech 7 der Trennwand 5.

Hinzu kommt die Möglichkeit, die Intensität der Anregungsener­ gie dadurch zu variieren, daß der Hochfrequenzgenerator 12 im Pulsbetrieb betrieben wird und seine Pulsfrequenz variierbar ist. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, für einen durch den Hubtisch 11 a verkleinerte Plasmakammer 6 auch nur die benötigte geringere Anregungsenergie zur Verfügung zu stellen.

Fig. 7 und 8 zeigen, daß die verstellbare Wand 11 der Plasmakammer mit einer Vielzahl von Permanentmagneten 16 ver­ sehen sein kann, durch die die Ionendichte in der Plasmakammer 6 erhöht und insbesondere bei niedrigem Druck in der Plasma­ kammer 6 der Zündvorgang erleichtert werden kann. Fig. 8 zeigt eine geeignete Verteilung der Permanentmagneten 16 an der Unterseite der Wand 11.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Wand 11′ der Plasmakammer 6 aus Gitterwänden und erlaubt den Durchtritt von Ionen, so daß die Plasmakammer 6 als groß­ flächige Ionenquelle fungiert.

Claims (18)

1. Plasmagerät mit einer Plasmakammer (6), in der durch Ein­ leitung elektromagnetischer Energie ein Plasma erzeugbar ist, gekennzeichnet durch

• - einen rechteckigen Hohlleiter (1) mit einem Hochfre­ quenzgenerator (12) zur Erzeugung von Hochfrequenz­ energie in dem Hohlleiter und mit einem seitlichen Fenster (2, 2′, 2′′) zur Auskopplung von Hochfre­ quenzenergie,
• - einen seitlich an den Hohlleiter (1) anschließenden und mit diesem über das Fenster (2, 2′, 2′′) verbun­ denen Übertragungsraum (4), der sich parallel zur Plasmakammer (6) erstreckt und
• - eine Trennwand (5) zwischen dem Übertragungsraum (4) und der Plasmakammer (6),
• - wobei die Verteilung der durch die Trennwand (5) in die Plasmakammer (6) übertragenen Hochfrequenzener­ gie durch ein mit Durchgangsöffnungen (13) versehe­ nes metallisches Blech (7) in der Trennwand (5) und/oder eine angepaßte Geometrie des Übertragungs­ raumes (4) beeinflußbar ist.

2. Plasmagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsraum (4) ein Hohlraum mit metallischen Wänden ist.

3. Plasmagerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Trennwand gegenüberliegende Wand (9) bezüglich ihrer Neigung und/oder ihrem Abstand relativ zur Trennwand (5) einstellbar ist.

4. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mit dem Fenster (2, 2′, 2′′) verse­ hene Wand und die ihr gegenüberliegende Wand kleiner als die Trennwand (5) und die ihr gegenüberliegende Wand (9) sind.

5. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennwand (5) aus dem metallischen Blech (7) und einer dielektrischen Wand (8) gebildet ist.

6. Plasmagerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (6) durch die dielektrische Wand (8) be­ grenzt ist, an die sich zum Übertragungsraum (4) hin das metallische Blech (7) anschließt.

7. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fläche der Durchgangsöffnungen (13) pro Flächeneinheit des metallischen Bleches (7) mit zuneh­ mendem Abstand vom Fenster (2, 2′, 2′′) zunehmend ausge­ bildet ist.

8. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Fenster (2, 2′, 2′′) des Hohlleiters (1) mit einer mit zunehmendem Abstand vom Hochfrequenzge­ nerator (12) über die Länge des Hohlleiters (1) zunehmen­ den wirksamen Öffnungsfläche ausgebildet ist.

9. Plasmagerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fenster (2) stetig keilförmig vergrößert.

10. Plasmagerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fenster (2′) unstetig treppenförmig vergrößert.

11. Plasmagerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster mehrere aneinandergereihte Durchgangsöffnungen mit zunehmender Öffnungsfläche aufweist.

12. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (6) mit wenigstens einer bewegbaren, elektrisch leitenden Wand (11) in seiner Größe veränderbar ist.

13. Plasmagerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Wand (11) der Trennwand (5) gegenüber liegt.

14. Plasmagerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die bewegbare Wand (11) als Hubtisch ausgebildet ist.

15. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die der Trennwand (5) gegenüberlie­ gende Wand (11) mit einer Vielzahl von Permanentmagneten (16) bestückt ist.

16. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die der Trennwand (5) gegenüberlie­ gende Wand (11′) wenigstens eine Gitterwand aufweist, so daß die Plasmakammer (6) als Ionenquelle fungiert.

17. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (12) im Pulsbetrieb arbeitet und daß die Pulsfrequenz einstellbar ist.

18. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (12) ein Mikrowellengenerator ist.