DE69304383T2

DE69304383T2 - Mikrowellenstrahler und Plasmareaktor unter Verwendung dieser Einrichtung

Info

Publication number: DE69304383T2
Application number: DE1993604383
Authority: DE
Inventors: Barbara Charlet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1993-04-01
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: EP0564359A1; EP0564359B1; FR2689717A1; FR2689717B1; DE69304383D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anwendung von Mikrowellen bzw. einen Mikrowellenstrahler.
Sie bezieht sich auf die Bestrahlung eines Materials mit Mikrowellen, wobei das Wort "Material" jedes feste, flüssige oder gasförmige Material einschließt.
Die vorliegende Erfindung betrifft vor allem die Bestrahlung eines Gases im Hinblick auf die Erzeugung eines Plasmas.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Realisierung:
- von Quellen reaktiver Arten, z.B. für die Herstellung von Dünnschichten oder die Bildung von Pulvern,
- von Quellen geladener Arten wie etwa Elektronen, oder Ionen oder Quellen neutraler Arten (Atome und Molküle), erregt oder nicht, z.B. zur Bearbeitung von Oberflächen,
- von Lichtquellen, z.B. zum Laserpumpen oder für die Spektroskopie.
Man kennt schon verschiedene Mikrowellenstrahler, insbesondere für die Plasmabildung, z.B. durch das Dokument EP-A-0 398 832 oder JP-A-1-187824.
Das gebildete Plasma ist jedoch im allgemeinen wenig homogen, schwierig einzuleiten bzw. zu erregen und anzupassen (es ist schwierig, ein gutes Verhältnis zwischen der zur Plasmabildung in die Vorrichtung eingeführten elektromagnetischen Welle und der Energie der durch das Plasma absorbierten Welle zu erhalten); außerdem weist das Plasma lokale Instabilitäten auf, die sich manifestieren als Veränderungen von Charakteristika wie Leuchtfähigkeit, Artendichte, Verteilung dieser Arten im Innern des Volumens, wo das Plasma hergestellt wird; die Herstellung dieses Plasmas ist nur möglich innerhalb eines beschränkten Druckbereichs und in kleinen Volumen.
Die vorliegende Erfindung hat die Beseitigung dieser Nachteile zur Zielsetzung und empfiehlt zu diesem Zweck einen Mikrowellenstrahler, der insbesondere ermöglicht, ein Plasma mit großem Volumen und guter Homogenität zu bilden und aufrechtzuerhalten.
Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Materials mit Mikrowellen zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie wenigstens einen Modul zum Bestrahlen eines Materials mit Mikrowellen enthält, wobei dieser Modul umfaßt:
- einen Hohlraumresonator, im wesentlichen ringförmig und begrenzt durch die innere, die äußere, die untere und die obere Wand, elektrisch leitend, und
- wenigstens einen Wellenleiter, vorgesehen um diese Mikrowellen in den Hohlraumresonator zu leiten, wobei die Abmessungen des Querschnitts des Resonators in einer die Achse des Resonators enthaltenden Ebene gewählt wird in Abhängigkeit von den Abmessungen des Quer-Querschnitts des Wellenleiters, so daß der Wellentyp bzw. die Mode, die sich in dem Resonator ausbreitet, identisch ist mit der Ausbreitungsmode der Mikrowellen in dem Wellenleiter,
und dadurch, daß wenigstens eine der Wände des Hohlraumresonators versehen ist mit Strahlungsschlitzen, die um eine Distanz von höchstens gleich Lg/2 voneinander beabstandet sind, wobei Lg die Wellenlänge der Mikrowellen in dem Wellenleiter ist und dieser Wellenleiter selbst eine Länge von wenigstens Lg/2 hat, um durch diese Schlitze elektromagnetische Energie auf das Material zu übertragen, das zu diesem Zweck der diese Schlitze aufweisenden Wand gegenüber angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Kopplung zwischen einer progressiven Ultrahoch- bzw. Höchstfrequenzwelle, geliefert durch einen Hochfrequenzgenerator, und einem Plasma in dem Bereich der Frequenzen zwischen beispielsweise ca. 0,3GHz und 30GHz.
Dieses Plasma wird gebildet in einem Behälter, gefüllt mit einem oder mehreren geeigneten Gasen, unter einem Druck zwischen 0,1 Pa und einigen tausend Pa; die Vorrichtung ermöglicht einen Transfer elektromagnetischer Energie zwischen der einfallenden Hochfrequenzwelle und einem Gasvolumen, das man erregen will, um das Plasma zu bilden; dieser Energietransfer ereignet sich durch Strahlungsschlitze; die Struktur der Vorrichtung und die Anordnung der Schlitze ermöglichen eine homogene Verteilung der elektromagnetischen Energie in dem das Plasma enthaltenden Behälter; die Vorrichtung liefert eine elektromagnetische Erregungsenergie, deren Verteilung die Bildung und Aufrechterhaltung eines Plasmas großen Volumens ermöglicht.
Der Innendurchmesser des Rings der Vorrichtung hängt nicht von der Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle ab. Vielmehr werden die Dimensionen dieses Rings so gewählt, daß sie den Ausbreitungsbedingungen einer Hauptmode entsprechen, z.B. der TE10-Mode.
Die Strahlungsschlitze der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sich in wenigstens einer der beiden Wände innen und außen oder auf einer der beiden Wände unten und oben befinden.
Nach einer besonderen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wenigstens eine der beiden Wände, innen und außen, zylindrisch.
Nach einer weiteren besonderen Ausführungart der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist wenigstens eine der Wände, innen und außen, die Form eines regelmäßigen Polyeders auf und hat somit eine Vielzahl identischer Facetten, und wenn es die äußere Wand ist, die diese regelmäßige Polyederform aufweist, ist die Länge dieser Facetten wenigstens gleich Lg/4.
Bei einer besonderen Ausführung wird der Wellenleiter verlängert durch ein Sektor- bzw. Teilungshorn, gefolgt von einem Duplexer, der die Mikrowellen in den Hohlraumresonator leitet, und die Länge des durch das Teilungshorn und den Duplexer gebildeten Ganzen ist wenigstens gleich Lg/2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem für jeden Wellenleiter wenigstens einen festen Kurzschluß umfassen, der ein ebenes, elektrisch leitendes Hindernis bildet, das senkrecht ist zu der unteren und der oberen Wand des Hohlraumresonators und das sich in einer Ebene, die die Achse des Resonators enthält, über dessen gesamten Querschnitt ausdehnt.
Die Lage des Kurzschlusses oder der Kurzschlüsse wird bestimmt durch die Anzahl der Mikrowellenenergiezuführungen und durch die Form der Strahlung durch die Schlitze, die man zu erhalten wünscht. Die Funktion dieses Kurzschlusses oder dieser Kurzschlüsse ist es, den Energieverlustgrad in dem Resonator zu verringern und den Wirkungsgrad der Kopplung zwischen der elektromagnetischen Welle und dem Material zu erhöhen. Dieser Kurzschluß oder diese Kurzschlüsse sind vorteilhafterweise so angeodnet, daß man eine Symmetrie der durch die Schlitze der Vorrichtung ausgesandten Strahlung erhält.
Bei der besonderen Ausführungsart, wo der Wellenleiter verlängert wird durch das Teilungshorn, gefolgt durch den Duplexer, umfaßt die Vorrichtung vorzugsweise zwei dieser Kurzschlüsse, wobei einer angeordnet ist zwischen den Mikrowelleneingängen, die jeweils den Zweigen des Duplexers zugeordnet sind, und der andere symmetrisch ist zum vorhergehenden, bezogen auf die Achse des Resonators.
Im Falle der Erzeugung eines Plasmas verbessert man so deutlich die Gleichförmigkeit der Verteilung dieses Plasmas.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem eine Platte oder ein Gitter umfassen, elektrisch leitend, den Oberteil dieser Vorrichtung verschließend.
Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls einen Plasmareaktor zum Gegenstand, umfassend:
- einen Behälter, von dem wenigstens ein Teil aus einem mikrowellendurchlässigen Material gemacht ist und vorgesehen ist, ein plasmagenes Gas bzw. ein Plasmidgas aufzunehmen, und
- eine Vorrichtung zur Anwendung von Mikrowellen auf Gas, wobei diese Vorrichtung einem mikrowellendurchlässigen Teil gegenüber angeordnet ist, um in dem Behälter ein Plasma zu erzeugen und mit diesem Plasma ein oder mehrere in dem Behälter befindliche Proben zu behandeln;
dabei ist dieser Reaktor dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenanwendungsvorrichtung jener entspricht, die auch Gegenstand der Erfindung ist.
Nach einer besonderen Ausführungsart dieses Reaktors befinden sich die Schlitze der Vorrichtung, die er umfaßt, in der inneren Wand des Resonators, und besagter Teil des Reaktors ist umgeben von der Vorrichtung.
Nach einer anderen besonderen Ausführungart umfaßt der Reaktor eine Vielzahl von Modulen, die hintereinander angeordnet sind und die den besagten Teil des Reaktors umgeben.
Nach einer weiteren Ausführungsart befinden sich die Schlitze der Vorrichtung in der unteren Wand des Resonators und besagter Teil des Reaktors ist dieser unteren Wand gegenüber angeordnet.
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die nachfolgende, rein beispielhafte und keinesfalls einschränkende Beschreibung, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer besonderen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- die Figur 2 ist eine schematische Ansicht einer anderen besonderen Ausführungart dieser Vorrichtung, bei der ein Teilungshorn und ein Duplexer benutzt werden, um die Mikrowellen in den Resonator zu leiten,
- die Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Plasmareaktors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- die Figur 4 ist eine schematische Ansicht eines Versorgungssystems der Vorrichtung der Figur 3 mit elektromagnetischer Energie,
- die Figur 5 ist eine schematische Schnittansicht eines anderen erfindungsgemäßen Plasmareaktors mit mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
- die Figur 6 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Strahlungsschlitzen in ihrer äußeren Wand,
- die Figur 7 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Strahlungsschlitzen in ihrer unteren Wand,
- die Figur 8 ist eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
- die Figur 9 ist eine schematische Draufsicht einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Sektor- bzw. Teilungshörnern und zwei Duplexern, um die Mikröwellen in den Hohlraumresonator zu leiten.
Die erfindungsgemäße Mikrowellenanwendungsvorrichtung, in Figur 1 schematisch und perspektivisch dargestellt, umfaßt einen ringförmigen Resonator 2, begrenzt durch eine innere Wand 4, eine äußere Wand 6, eine untere Wand 8 und eine obere Wand 10, die elektrisch leitend sind, und
- einen Mikrowellenleiter 12, um dem Resonator 2 die Mikrowellen zuzuführen.
Die Mikrowellen (des UHF-Typs) werden ausgestrahlt durch einen nicht dargestellten Generator und übertragen durch einen Wellenleiter oder ein Kabel (nicht dargestellt) bis zum Wellenleiter 12 von parallelflacher Form, der die Ausbreitung einer dominierenden Mode, z.B. der TE10-Mode, ermöglicht.
Die Wellenlänge L des Wellenleiters 12 ist größer oder gleich Lg/2, wobei Lg die Wellenlänge der Mikrowellen in dem Leiter 12 darstellt.
Die Größe Lg ist ein charakteristischer Wert für eine Ausbreitungsfrequenz, eine Ausbreitungsmode und bestimmte Abmessungen des Wellenleiters 12.
Das Innere des Wellenleiters 12 (vom Standardtyp) kommuniziert mit dem Innern des Rings 2 durch eine zu diesem Zweck in dem Ring vorgesehene Öffnung.
Die innere Wand 4 und die äußere Wand 6 sind zylindrisch und koaxial, wie zu sehen in der Figur 1, und die untere Wand 8 und die obere Wand 10 sind eben und parallel.
Außerdem sind die Abmessungen des Querschnitts des Rings 2 in einer Ebene, die seine Achse X enthält, gleich den entsprechenden Abmessungen des Quer-Querschnitts des Wellenleiters 12, was heißt, daß der Ring 2 dieselbe "Geometrie" aufweist wie der Leiter 12.
In dem ringförmigen Resonator 2 breitet sich also dieselbe Mode aus wie jene, die sich im Wellenleiter 12 ausbreitet.
Der Ring 2 schließt die Ausbreitungslinie bzw. -leitung der UHF-Wellen.
Was die Abmessungen des Resonators 2 und des Wellenleiters 12 betrifft, so ist hinzuzufügen, daß dieser Resonator 2 und dieser Leiter 12 beide vom "E-Ebene"-Typ oder beide vom "H-Ebene"- Typ sind.
Man sieht, daß die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung vom "H-Ebene"-Typ ist.
Die innere Wand 4 des Rings 2 ist mit Strahlungsschlitzen 14 versehen, die zu den Flächen unten 8 und oben 10 senkrecht sind und untereinander abstandsgleich.
Die Anordnung dieser Schlitze berücksichtigt die charakteristischen Ausbreitungsabstände der Mikrowellen in dem Leiter.
Noch genauer ausgedrückt ist der Abstand d zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlitzen kleiner oder gleich Lg/2.
Es sei präzisiert, daß die Länge 1 eines Schlitzes ungefähr gleich Lo/2 ist, wobei Lo die Wellenlänge der Mikrowellen in der Luft ist, und daß die Breite e dieses Schlitzes sehr viel kleiner ist als die Abmessung der kleineren Seite des Wellenleiters 12 (im Quer-Querschnitt gesehen), d.h. daß e wenigstens 5mal kleiner ist als die Abmessung dieser kleineren Seite des Leiters 12.
Bei einer Ausführungsvariante, in Figur 1 strichpunktiert dargestellt, sind die Strahlungsschlitze (nun mit 16 bezeichnet) parallel zueinander und untereinander abstandsgleich, aber schräg in bezug auf die Wände 8 und 10 des Resonators.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung ermöglicht, die elektromagnetische Energie auf ein Material (nicht dargestellt) zu übertragen, das in dem Raum angeordnet ist, der durch die innere Wand 4 des Rings 2 begrenzt wird. Jedoch könnten bei anderen Ausführungsarten zusätzliche Strahlungsschlitze vorgesehen werden auf einer oder mehreren anderen Wänden des Resonators, um elektromagnetische Energie in dieser anderen Wand oder diesen anderen Wänden gegenüberstehende Zonen zu übertragen.
Zurückkehrend zu der Ausführungsart der Figur 1 sieht man einen festen Kurzschluß 18, der vorzugsweise in dem Resonator 2 angeordnet ist, um diesen Resonator in zwei Mikrowellen-Ausbreitungszonen zu unterteilen.
Man verbessert so die Homogenität der Verteilung der Mikrowellen in dem Material, das in der durch die innere Wand 4 abgegrenzten Zone angeordnet ist.
Dieser Kurzschluß 18 bildet ein elektrisch leitendes ebenes Hindernis, senkrecht zu den Wänden 8 und 10.
Der Kurzschluß 18, dessen Abmessungen jeweils gleich den Abmessungen des Querschnitts des Resonators 2 in einer seine Achse X enthaltenden Ebene sind, ist entsprechend dieser Ebene angeordnet und dem Wellenleiter 12 gegenüberstehend, bezogen auf die Achse X, um diesen Resonator in zwei Zonen gleicher Strahlung zu unterteilen.
In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel befindet sich der Kurzschluß 18 in Höhe eines der in der inneren Wand 4 vorgesehenen Schlitze 14, könnte sich jedoch in anderen Beispielen in Teilen der Wände 4 und 6 ohne Schlitze befinden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung der Figur 2 umfaßt noch einen im wesentlichen ringförmigen Hohlraumresonator 20 sowie einen Wellenleiter 22 von der Art des Wellenleiters 12 der Figur 1.
Außerdem ist ein glattes Teilungshorn 24, versehen mit einem Duplexer 26, dessen beide Zweige man in Figur 2 sieht, eingefügt zwischen den Leiter 24 und den Resonator 20, so daß die Mikrowellen nacheinander durch den Leiter 22, das Horn 24 und den Duplexer 26 ins Innere dieses Resonators geleitet werden.
Selbstverständlich ist die Länge L des Leiters 22 wieder größer oder gleich Lg/2.
Ebenso ist die Gesamtlänge L1 von Teilungshorn und Duplexer wenigstens gleich Lg/2.
Die Abmessungen des Querschnitts des Resonators 20 in einer seine Achse X1 enthaltenden Ebene werden wieder gewählt in Abhängigkeit von den Abmessungen des Quer-Querschnitts des Wellenleiters 22, so daß die sich in dem Resonator 20 ausbreitende Welle identisch ist mit der Mikrowellenausbreitungsmode in dem Leiter 22.
Je nach dem, ob der Wellenleiter 22 vom "E-Ebene"-Typ oder vom "H-Ebene"-Typ ist, wählt man ein Teilungshorn des "E-Ebene"- Typs oder des "H-Ebene"-Typs.
Falls man ein mit einem Duplexer versehenes Teilungshorn benutzt, ist es vorteilhaft, im Resonator zwei Kurzschlüsse 28 und 30 vorzusehen, wie dargestellt in Figur 2.
Einer dieser Kurzschlüsse, der die Referenz 28 trägt, ist angeordnet zwischen den beiden Öffnungen, durch die die Zweige des Duplexers mit dem Innern des Resonators kommunizieren, während der andere Kurzschluß 30 in dem Resonator angeordnet ist, symmetrisch zum Kurzschluß 28 in bezug auf die Achse X1 des Resonators.
Auf diese Weise erhält man im Innern des Rings 20 zwei Hohlraumresonatoren.
Bei einer besonderen Ausführungsart, die ebenfalls in Figur 2 dargestellt ist, bilden die innere und die äußere Wand des Resonators keine koaxialen Zylinder mehr: eine von ihnen bewahrt diese zylindrische Form, deren Achse X1 ist, während die andere (bei dem in Figur 2 dargestellten Beispiel die äußere Wand) die Form eines regelmäßigen Polyeders aufweist, gebildet durch eine Vielzahl Facetten 31, die identisch sind und parallel zur Achse X1 des Resonators.
Falls die äußere Wand diese Form eines regelmäßigen Polyeders aufweist, muß die Länge f von jeder dieser Facetten 31 größer oder gleich Lg/4 sein (Fall eines Leiters, der die Ausbreitung einer dominierenden Mode, z.B. TE10, gewährleistet.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsart könnte man sogar einen Resonator haben, dessen innere und äußere Wand jeweils ein regelmäßiges Polyeder bilden.
Die Figur 3 zeigt schematisch im Längsschnitt einen Plasmareaktor mit einer erfindungsgemäßen Mikrowellenanwendungsvorrichtung 32, z.B. die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung.
Der Reaktor der Figur 3 umfaßt ebenfalls einen Behälter 34, versehen mit Pumpeinrichtungen 36 zum Herstellen eines Vakuums in diesem Behälter 34, sowie Einrichtungen 38 zum Einleiten von einem oder mehreren plasmagenen Gasen bzw. Plasmidgasen in den Behälter 34.
Außerdem sieht man in Figur 3, daß der obere Teil 40 des Behälters 34 eine Kuppel 40 bildet.
Dieser kuppelförmige Teil ist hergestellt aus einem dielektrischen Material, z.B. Quarz.
Die Mikrowellenanwendungsvorrichtung 32 ist angeordnet in Höhe dieses Teils 40, wobei letzteres in der Zone angeordnet ist, die durch die innere Wand der Vorrichtung 32 begrenzt wird.
Die von der Vorrichtung 32 ausgehenden progressiven Wellen durchqueren die Quarzkuppel 40 und erregen das in dem Reaktor enthaltene Gas.
Ein Plasma wird eingeleitet, wonach die Kopplung zwischen den von der Vorrichtung 32 ausgehenden Mikrowellen und dem Plasma ermöglicht, letzteres aufrechtzuerhalten.
Ein Substratträger 42, versehen mit Einrichtungen M, die seine Höheneinstellung ermöglichen, befindet sich in dem Behälter 34.
Ein oder mehrere Substrate 44 sind auf dem Substratträger 42 angeordnet, um durch das in dem Behälter 34 gebildete Plasma behandelt zu werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung läßt einen großen Durchmesser für die Entladung zu, z.B. 150mm für eine Mikrowellenfrequenz gleich 2,45GHz.
Je nachdem, welcher Mikrowellengenerator benutzt wird (nicht dargestellt in Figur 3), ist es möglich, für den Plasmareaktor einen kontinuierlichen Betrieb herzustellen oder einen pulsierenden Betrieb (mit dem Vorhandensein eines zeitlichen Nachentladens bzw. Nachglühens).
Man kann der Entladung eventuell ein Magnetfeld zuordnen, um eine Einschließung des Plasmas zu erhalten, wenn die Stärke der magnetischen Induktion kleiner ist als 875x10&supmin;&sup4;T, oder um Elektronenspinresonanzbedingungen zu erhalten, wenn die magnetische Induktionsstärke größer ist als 875x10&supmin;&sup4;T, für eine Erregungsfrequenz gleich 2,45 GHz.
Wie man in Figur 3 sieht, kann der obere Teil der erfindungsgemäßen Anwendungsvorrichtung verschlossen sein durch eine Platte oder ein Gitter 46, hergestellt aus einem elektrisch leitenden Material, eine Äquipotentialfläche mit der oberen Wand des Wellenleiters 12 bildend.
Diese Äquipotentialfläche, die sich über der Kuppel 40 aus dielektrischem Material befindet, verhindert die Abstrahlung des elektromagnetischen Feldes nach außen.
Für den Fall einer längeren Benutzung des Plasmas wählt man ein Gitter, da das Gitter in diesem Fall die Abführung der Wärme ermöglicht, die im Innern der Mikrowellenanwendungsvorrichtung erzeugt wird.
In Figur 4 ist schematisch eine Anlage dargestellt, die ermöglicht, die Mikrowellen in Richtung Anwendungsvorrichtung 32 zu senden, die man von oben sieht und die auf den Reaktor der Figur 3 montiert ist.
Die in Figur 4 dargestellte schematische Anlage umfaßt einen UHF-Generator mit variabler Leistung, der Mikrowellen an den Wellenleite 12 der Vorrichtung 32 liefert, nacheinander durch einen Richtkoppler 50, einen Zirkulator 52 und eine Impedanzanpassungseinrichtung 54.
Man sieht in figur 4 auch eine Meßeinrichtung der einfallenden Leistung 56, die über einen Abschwächer 58 verbunden ist mit dem Richtkoppler 50.
Man sieht ebenfalls eine Meßeinrichtung der reflektierten Leistung 60, die mit dem Zirkulator 52 verbunden ist über einen weiteren Richtkoppler 62, versehen mit einem angepaßten Abschluß 64.
Die Figur 5 zeigt die Möglichkeit, ein großvolumiges Plasma in einer Zone zu erzeugen, die begrenzt wird durch eine Wand von länglicher Form, hergestellt aus einem dielektrischen Material. Dabei benutzt man mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen, z.B. von der Art der Vorrichtung der Figur 1, die nebeneinander angeordnet werden und diese dielektrische Wand umgeben.
Genauer ausgedrückt sieht man in Figur 5 einen Plasmareaktor 66, der einen Teil 68 umfaßt, hergestellt aus einem dielektrischen Material, wobei dieser Teil 68 eine längliche Form hat, zum Beispiel zylindrisch, sowie einen anderen Teil 70, verbunden mit dem Teil 68 und versehen mit Einrichtungen 72 zum Einführen der Proben, die man im Innern des Reaktors mittels Plasma behandeln will.
Der Teil 68 des Reaktors ist versehen mit Einrichtungen 72, die ermöglichen, ein plasmagenes Gas bzw. Plasmidgas oder eine Plasmidgasmischung in die Zone des Reaktors einzuleiten, die begrenzt wird durch diesen Teil 68 und die gebildet wird durch eine Entladungszone.
Der andere Teil 70 des Reaktors, der eine Nachentladungs- bzw. Nachglühzone begrenzt, ist versehen mit Pumpeinrichtungen der eingeleiteten Gase.
Der in Figur 5 dargestellte Reaktor umfaßt ebenfalls eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Mikrowellenanwendungsvorrichtungen 32, z. B. der in Figur 1 dargestellten Art.
Diese Vorrichtungen 32 sind hintereinander angeordnet, um den aus einem dielektrischen Material gemachten Teil 68 herum, wobei dieser letztere die Zonen der Vorrichtungen 32 durchquert, die begrenzt werden durch die inneren Wände dieser Vorrichtungen.
Man ist also in der Lage, in dem Reaktor der Figur 5 ein Plasma großen Volumens zu erzeugen.
Es ist möglich, die Lage der Schlitze 14 einer Anwendungsvorrichtung 32 in bezug auf eine benachbarte Anwendungsvorrichtung (wie zu sehen in Figur 5) auszurichten oder zu verschieben, um Strahlungszonen in derselben Ebene zu haben oder verschoben.
In Figur 6 ist schematisch eine andere erfindungsgemäße Anwendungsvorrichtung dargestellt, bei der die Strahlungsschlitze 14 in der äußeren Wand des Hohlraumresonators 2 vorgesehen sind.
In diesem Fall fügt man dem Hohlraum einen Wellenleiter 80 hinzu, der die Mikrowellen MO in diesen Resonator leitet und der, sich krümmend, mit diesem letzteren verbunden ist durch eine Öffnung in der inneren Wand des Resonators 2, wie zu sehen in Figur 6.
Die durch die Schlitze 14 gestrahlte elektromagnetische Energie kann der Aufrechterhaltung eines Plasmas in einem ringförmigen Behälter 82 dienen, hergestellt aus einem für die Mikrowellen durchlässigen Material, der den Hohlraumresonator 2 derart umgibt, daß die innere Wand dieses Behälters 82 der äußeren Wand des Resonators 2 gegenübersteht, wie zu sehen in Figur 6.
Die erfindungsgemäße Mikrowellenanwendungsvorrichtung, die in Figur 7 schematisch dargestellt ist, umfaßt wieder einen ringförmigen Hohlraumresonator 84, versorgt durch einen Wellenleiter 86, über eine Einheit, die gebildet wird durch ein Teilungshorn und einen Duplexer.
Wie im Fall der Figur 2 umfaßt die Vorrichtung der Figur 7 zwei Kurzschlüsse 90 und 92, wobei einer dieser Kurzschlüsse zwischen den Öffnungen des Resonators angeordnet ist, dort wo die Zweige des Duplexers enden, und der andere Kurzschluß dem vorhergehenden diametral entgegengesetzt angeordnet ist.
Im Falle der Figur 7 sind die Strahlungsschlitze in der unteren Wand des Resonators 84 vorgesehen, wobei diese Schlitze abstandsgleich zueinander sind und in dieser unteren Wand parallel angeordnet sind, so daß die elektromagnetische Energie aus dem Resonator nach unten abgestrahlt wird.
Die Vorrichtung der Figur 7 dient der Aufrechterhaltung eines Plasmas in einem Behälter 96, von dem man in Figur 7 nur den oberen Teil sieht, wobei dieser obere Teil auf abdichtende Weise verschlossen ist durch eine ebene Wand 98 von kreisrunder Form, die aus einem dielektrischen Material wie Quarz hergestellt ist und deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Hohlraumresonators 84 ist.
Die in Figur 7 dargestellte Mikrowellenanwendungsvorrichtung ist so angeordnet, daß ihre untere Wand sich in der Nähe der Quarzwand 98 befindet, über dieser letzteren, damit die durch die Schlitze 94 ausgestrahlten Mikrowellen in den Behälter 96 eindringen, durch die Wand 98.
Die Figuren 8 und 9 zeigen erfindungsgemäße Mikrowellenanwendungsvorrichtungen und umfassen mehrere Mikrowellenzuführungen.
Genauer: die in Figur 8 schematisch in der Draufsicht dargestellte Vorrichtung enthält wieder den Hohlraumresonator 2 der Figur 1, versehen mit dem Wellenleiter 12, der die Mikrowellen in diesen Resonator leitet, und außerdem einen weiteren Wellenleiter 100 von der Art des Wellenleiters 12, der ebenfalls Mikrowellen in den Resonator 2 leiten kann, wobei dieser Leiter 100 symmetrisch ist zum Leiter 12, bezogen auf die Achse X des Resonators.
Im Falle der Figur 8 sieht man vorzugsweise ebensoviele Kurzschlüsse 102 vor wie Mikrowellenzuführungen, d.h zwei Kurzschlüsse, wobei diese beiden Kurzschlüsse zu den beiden Leitern 12 und 100 abstandsgleich sind und sich in dem Resonator 2 diametral gegenüberstehen.
Die in Figur 9 schematisch in der Draufsicht dargestellte Mikrowellenanwendungsvorrichtung enthält wieder einen ringförmigen Hohlraumresonator 104, versehen mit einem Aufbau 106, nacheinander einen Wellenleiter, ein Teilungshorn und einen Duplexer umfassend, um die Mikrowellen in den Resonator 104 zu leiten (so wie im Fall der Figur 2), sowie einen weiteren Aufbau 108, mit dem Aufbau 106 identisch und zu diesem symmetrisch in bezug auf die Achse Y des Resonators 104, um ebenfalls Mikrowellen in diesen Resonator zu leiten.
Im Fall der Figur 9 verwendet man vorzugsweise vier Kurzschlüsse 110, wobei zwei dieser Kurzschlüsse in bezug auf die Achse X symetrisch zueinander angeordnet sind und abstandsgleich sind bezüglich der Aufbauten 106 und 108, während die beiden anderen Kurzschlüsse in dem Resonator 104 in bezug auf die Achse Y des Resonators symmetrisch zueinander angeordnet sind, zwischen den Öffnungen, durch die die Zweige des Duplexers verbunden sind mit dem Resonator 104, wie zu sehen in Figur 9.
Die oben mit Bezug auf die Figuren 1 bis 9 beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt, z.B. metallischen Materialien oder dielektrischen Materialien, überzogen mit einer Metallschicht.
Die wesentlichen Elemente dieser Vorrichtungen sind miteinander verbunden durch kontinuierliche Schweißnähte, hergestellt ohne Unebenheiten oder Rauhheiten, oder durch für Mikrowellen undurchlässige Verbindungsstücke mit angepaßten Flanschen.
Die inneren Wände sind sehr glatt (es ist vorzuziehen, diese Wände zu polieren, falls sie aus einem metallischen Material hergestellt sind), und weisen weder Rauheiten noch Unebenheiten auf.
Falls die Strahlungsschlitze aufweisenden Wände aus einem metallischen Material hergestellt sind, überschreitet die Dicke dieses Materials vorzugsweise nicht 1mm, denn eine Dicke über diesem Wert könnte die Qualität der Kopplung zwischen den Wellen und dem Material (z.B. einem Plasma) verschlechtern.
Es ist ebenfalls vorzuziehen, daß der äußere Umfang der Schlitze gerundet, glatt und ohne scharfe Winkel ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn jeder Kurzschluß auf allen seinen vier Seiten durch metallische Schweißnähte mit den Wänden des Resonators verbunden ist, falls er Wänden ohne Schlitze gegenübersteht, oder auf drei Seiten, falls er sich in Höhe eines Strahlungsschlitzes befindet, wobei das den Kurzschluß bildende metallische Material im diesem letzteren Fall an dem Rand, der dem Schlitz gegenübersteht, glatt und gerundet ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Anwendung von Mikrowellen auf ein Material, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie wenigstens einen Anwendungsmodul (32) der Mikrowellen auf das Material enthält und dieser Modul umfaßt:

- einen Hohlraumresonator (2, 20, 84, 104), im wesentlichen ringförmig und begrenzt durch die Wände innen (4), außen (6), unten (8) und oben (10), die elektrisch leitend sind, und

- wenigstens einen Wellenleiter (12, 22, 80, 86, 100), vorgesehen um diese Mikrowellen in den Hohlraumresonator zu leiten, wobei die Abmessungen des Querschnitts des Resonators in einer Ebene, die die Achse dieses Resonators enthält, gewählt wird in Abhängigkeit von den Abmessungen des querverlaufenden Querschnitts des Wellenleiters, so daß der Wellentyp, der sich in dem Resonator fortpflanzt, identisch ist mit dem Fortpflanzungswellentyp der Mikrowellen in dem Wellenleiter,

und dadurch, daß wenigstens eine der Wände des Hohlraumresonators versehen ist mit ausstrahlenden Schlitzen (14, 16, 94), die voneinander beabstandet sind um eine Distanz von höchstens gleich Lg/2, wo Lg die Wellenlänge der Mikrowellen in dem Wellenleiter ist, wobei dieser Wellenleiter selbst eine Länge von wenigstens gleich Lg/2 hat,

um durch diese Schlitze elektromagnetische Energie auf das Material zu übertragen, das zu diesem Zweck der Wand gegenüber angeordnet ist, welche die ausstrahlenden Schlitze aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausstrahlenden Schlitze (14, 16) sich auf wenigstens einer der beiden Wände innen (4) und außen (6) befinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausstrahlenden Schlitze (94) sich auf wenigstens einer der beiden Wände unten (8) und oben (10) befinden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Wände innen (4) und außen (6) zylindrisch ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand die Form eines gleichmäßigen Polyeders hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand (6) die Form eines gleichmässigen Polyeders hat und somit eine Vielzahl identischer Facetten (31) aufweist, und dadurch, daß die Länge dieser Facetten wenigstens gleich Lg/4 ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (22, 86) verlängert wird durch ein Sektorhorn (24), gefolgt von einem Duplexer (26), der die Mikrowellen in den Hohlraumresonator (20) leitet, und dadurch, daß die Länge des durch das Sektorhorn und den Duplexer gebildeten Ganzen (24-26, 88) wenigstens gleich Lg/2 ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem wenigstens einen festen Schluß bzw. Kurzschluß (18, 28, 30, 90, 92, 102, 110) für jeden Wellenleiter (12, 22, 86, 100) umfaßt, wobei dieser feste Kurzschluß ein ebenes, elektrisch leitendes Hindernis bildet, das senkrecht ist zu der unteren (8) und der oberen (10) Wand des Hohlraumresonators, und das sich in einer Ebene, die die Achse des Resonators enthält, über dessen gesamten Querschnitt ausdehnt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei derartige Kurzschlüsse umfaßt, wobei einer angeordnet ist zwischen den Mikrowelleneingängen, die jeweils den Zweigen des Duplexers zugeordnet sind, und der andere symetrisch ist zum vorhergehenden in bezug auf die Achse des Resonators.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Platte oder ein Gitter (46) umfaßt, elektrisch leitend und den Oberteil dieser Vorrichtung schließend.

11. Plasmareaktor, umfassend:

- einen Behälter (34, 66, 96), von dem wenigstens ein Teil (40, 68, 98) aus einem mikrowellendurchlässigen Material gemacht ist und der vorgesehen ist, ein plasmagenes Gas bzw. ein Plasmid- Gas aufzunehmen, und

- eine Vorrichtung (32) zur Anwendung von Mikrowellen auf Gas, wobei diese Vorrichtung einem mikrowellendurchlässigen Teil gegenüber angeordnet, um in dem Behälter ein Plasma zu erzeugen und mit diesem Plasma ein oder mehrere in dem Behälter befindliche Proben (44) zu behandeln, wobei dieser Reaktor dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mikrowellen-Anwendungsvorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 10 entspricht.

12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (14) der Vorrichtung (32) sich auf der inneren Wand (4) des Hohlraumresonators (2) befinden und dadurch, daß besagter Teil (40, 68) des Reaktors von der Vorrichtung umgeben ist.

13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Reaktor eine Vielzahl Module (32) umfaßt, die nacheinander angeordnet sind und die den besagten Teil (68) des Reaktors umgeben.

14. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (94) der Vorrichtung sich auf der unteren Wand des Hohlraumresonators (84) befinden, und dadurch, daß der Teil (98) des Reaktors dieser unteren Wand gegenüber angeordnet ist.