DE9405808U1 - Plasma-Bearbeitungsgerät - Google Patents

Plasma-Bearbeitungsgerät

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DE9405808U1 DE19949405808 DE9405808U DE9405808U1 DE 9405808 U1 DE9405808 U1 DE 9405808U1 DE 19949405808 DE19949405808 DE 19949405808 DE 9405808 U DE9405808 U DE 9405808U DE 9405808 U1 DE9405808 U1 DE 9405808U1
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Description

Hanns-Peter Schrammek
Rechtsanwalt
Dipl.-Ing. Norbert Süßrauth Anwaltsakte
Heinrichstraße 16 1389-3 DE-2
38106 Braunschweig
Datum
Dipl.-Ing. Jeng-Ming Wu 11. April 1994
Am Schloßgarten 8 38100 Braunschweig
Plasma-Bearbeitungsgerät
Die Erfindung betrifft ein Plasma-Bearbeitungsgerät mit einer zur Aufnahme von zu bearbeitenden Gegenständen oder Materialien ausgebildeten, evakuierbaren Plasmakammer, in der durch Einleitung elektromagnetischer Energie ein Plasma erzeugbar ist.
Es sind verschiedenste Bearbeitungen von Gegenständen und Materialien mit einem Plasma bekannt. Im industriellen Maßstab ist es bekannt, Acetylen aus Kohlenwasserstoffen im Plasma herzustellen. Bekannt ist ferner die Herstellung von Reduktionsgasen, beispielsweise zur Reduktion von Eisenerzen. Mit Plasmen werden ferner metallische und keramische Puder hergestellt, die dann ferner zur Plasmabeschichtung von Gegenständen geeignet sind. Die Oberflächenbearbeitung 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 Plasmas, wobei mit Magnetfeldspulen die Plasmaausbildung beeinflußt werden kann. Bekannt ist ferner die elektrodenlose Ausbildung eines Plasmas induktiv mit hochfrequenten elektro-
Theodor-Heuss-Straße 1 D-38122 Braunschweig
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magnetischen Wellen. Mit dieser Methode ist eine halbwegs gleichmäßige Ausbildung des Plasmas, beispielsweise in einer Entladungsröhre, erreichbar.
Alle bekannten Plasmageneratoren erfordern einen erheblichen Aufwand, was einer Bearbeitung von Gegenständen und Materialien mit dem Plasma in vielen Fällen aus Kostengründen entgegensteht.
Das Problem, eine Plasmabearbeitung mit einem einfachen und leistungsfähigen Plasma-Bearbeitungsgerät zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß mit einem Plasma-Bearbeitungsgerät der eingangs erwähnten Art gelöst, das gekennzeichnet ist durch
- einen Hohlleiter mit einem Hochfrequenzgenerator zur Erzeugung von HF-Wellen in dem Hohlleiter,
- einen seitlich an den Hohlleiter anschließenden scheibenförmigen Wellenleiter und
- einen als die Plasmakammer dienenden Raum, der unmittelbar neben einer großen Oberfläche des Wellenleiters angeordnet ist.
Erfindungsgemäß gelingt die Ausbildung eines geeigneten Plasmas in einer für Bearbeitungszwecke geeigneten großen Plasmakammer durch Auskopplung von Hochfrequenzwellen, vorzugsweise Mikrowellen, aus einem Hohlleiter, vorzugsweise Rechteck-Hohlleiter, mittels eines scheibenförmigen Wellenleiters, der sich zu Auskopplungszwecken seitlich an den Hohlleiter anschließt. Mit dem scheibenförmigen Wellenleiter wird die Energie der Hochfrequenzwellen in dem Hohlleiter in die Plasmakammer geleitet, die unmittelbar neben einer großen Oberfläche des Wellenleiters angeordnet ist.
Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Plasmakaramer entlang nahezu der gesamten großen Oberfläche des Wellenleiters, wo bei die Oberfläche des Wellenleiters eine Wand der Plasmakammer bilden kann.
5
Zur Einleitung einer möglichst gleichmäßigen Energiemenge über die gesamte Querschnittsfläche der Plasmakammer kann es vorteilhaft sein, zwischen der Oberfläche des Wellenleiters und der Plasmakammer eine metallische Abschirmung mit zahlreichen Durchgangsöffnungen anzuordnen, wobei die Fläche der Durchgangsöffnungen pro Flächeneinheit mit zunehmendem Abstand vom Hohlleiter zunehmend ausgebildet ist. Auf diese Weise gelingt es, die mit zunehmendem Abstand von dem Hohlleiter auftretende Bedämpfung der Hochfrequenzwellen für die Abstrahlung in die Plasmakammer so zu berücksichtigen, daß eine gleichmäßige Energieeinleitung über die gesamte Querschnittsfläche (parallel zur großen Oberfläche des Wellenleiters) in die Plasmakammer erzielt wird.
Für die Anwendung des Plasma-Bearbeitungsgeräts für die Behandlung unterschiedlicher Gegenstände wird es zweckmäßig sein, die Plasmakammer mit wenigstens einer bewegbaren, elektrisch leitenden Wand in seiner Größe veränderbar auszugestalten, wobei' die -bewegbare Wand vorzugsweise der großen Oberfläche des Wellenleiters gegenüber liegt. Auf diese Weise ist es möglich, die für die Plasmabearbeitung benötigte Energie an die Größe des Gegenstandes anzupassen, da für einen kleinen Gegenstand die Plasmakammer verkleinerbar ist, so daß die für die Ausbildung eines Plasmas in der Plasmakammer benötigte Energie verringert wird. Selbstverständlich ist es möglich, durch weitere bewegbare elektrisch leitende Wände den Entladungsraum weiter zu verkleinern. So kann beispielsweise eine senkrecht zu der ersten bewegbaren Wand stehende bewegbare Wand vorgesehen sein, deren Verschiebung dann sinnvoll wird, wenn die erste verschiebbare Wand so weit verschoben ist, daß die zweite verschiebbare Wand an die erste verschobene Wand unmittelbar anschließt.
Selbstverständlich erfolgt die Verschiebung der bewegbaren Wände innerhalb einer festen Kammer, deren feststehende Wände zur Umschließung eines Plasmas geeignet sind. Die bewegbaren Wände dienen daher lediglich als Zwischenwände, begrenzen jedoch die Größe des Raumes, in dem sich ein Plasma ausbilden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die eine sehr effiziente Auskopplung der Mikrowellenenergie erlaubt, ragt der scheibenförmige Wellenleiter in den Hohlleiter hinein, wobei allerdings der wesentlich größere Teil des Wellenleiters außerhalb des Hohlleiters angeordnet ist.
Um die Hochfrequenzenergie, vorzugsweise Mikrowellenenergie, vom Hohlleiter in den Plasmaraum leicht einleiten zu können und möglichst wenig Reflektionen zu erhalten, kann der Wellenleiter mit einer unsymmetrischen Form in den Hohlleiter, vorzugsweise Rechteck-Hohlleiter, hineinragen, wobei die maximale Eintauchtiefe des Wellenleiters in den Hohlleiter auf der Länge des Wellenleiters von dessen Mitte ausgehend zu einem dem Hochfrequenzgenerator abgewandten Ende verschoben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Wellenleiters weist der Wellenleiter eine stetige Wölbung auf, die von dem dem Hochfrequenzgenerator näheren Ende mit einer geringeren Krümmung zum maximalen Eintauchpunkt des Wellenleiters in den Hohlleiter als vom maximalen Eintauchpunkt zum anderen Ende verläuft. Dabei kann der Wellenleiter etwa die Form einer e"x-Funktion aufweisen.
In einer alternativen, unsymmetrischen Ausführungsform verläuft der Wellenleiter von dem dem Hochfrequenzgenerator näheren Ende etwa geradlinig bis zur maximalen Eintauchtiefe und führt etwa geradlinig von der maximalen Eintauchtiefe zum anderen Ende zurück. Dabei kann der Wellenleiter etwa in Dreieckform in den Hohlleiter hineinragen, so daß die maxi-
male Eintauchtiefe an einem definierten Punkt der Länge des Wellenleiters erreicht wird. Es ist aber auch möglich, daß die maximale Eintauchtiefe über eine gewisse Länge des Wellenleiters erhalten bleibt, so daß er etwa in Viereckform in den Hohlleiter hineinragt.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung schließt eine Stirnfläche des Wellenleiters mit einem Fenster des Hohlleiters ab. Der Wellenleiter ragt somit nicht in den Hohlleiter hinein.
Zur Kompensation einer etwaigen geringeren Energieeinkopplung mit zunehmendem Abstand von dem Hochfrequenzgenerator über die Länge des Hohlleiters kann das Fenster mit einer mit zunehmendem Abstand von dem Hochfrequenzgenerator zunehmenden wirksamen Öffnungsfläche ausgebildet sein. Dabei kann sich das Fenster stetig keilförmig oder unstetig treppenförmig vergrößern oder aus mehreren aneinandergereihten Öffnungen mit zunehmender Öffnungsfläche bestehen.
Als Materialien für den Wellenleiter eignen sich alle bekannten Wellenleitermaterialien. Ein geeignetes Material ist eine Al2O3-Keramik.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - einen vertikalen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Bear
beitungsgeräts
Figur 2 - einen horizontalen Schnitt durch das Plasma-Bearbeitungsgerät gemäß Figur 1 mit einer Ansieht von unten auf den Wellenleiter
Figur 3 - eine Darstellung gemäß Figur 2 mit einer
Variante für die Form des Wellenleiters
Figur 4 - eine Darstellung gemäß Figur 2 mit einer weiteren Variante für die Form des Wellenleiters
Figur 5 - eine schematische perspektivische Darstellung
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Bearbeitungsgeräts mit einem keilförmigen Fenster zwischen Hohlleiter und
Wellenleiter
Figur 6 - eine schematische Darstellung eines sich trep-
penförmig vergrößernden Fensters 15
Figur 7 - eine schematische Darstellung eines aus aneinandergereihten Durchgangsöffnungen bestehenden Fensters mit einer zunehmenden wirksamen Fläche der Durchgangsöffnungen. 20
Figur 1 läßt einen Rechteck-Hohlleiter 1 erkennen, in dem eine hochfrequente Anregungsenergie erzeugt wird. In den Hohlleiter 1 ragt über einen Durchbruch durch eine kurze Seite ein scheibenförmiger Wellenleiter 2 hinein, dessen weitaus größerer Teil außerhalb des Hohlleiters 1 in einem rechteckigen Gehäuse 3 angeordnet ist.
Eine (in der Figur 2 unten dargestellte) große Oberfläche 4 des Wellenleiters 2 dient als Wand für eine Plasmakammer 5, die sich als rechteckige Kammer an den Wellenleiter 2 anschließt.
Auf die Oberfläche 4 des Wellenleiters 2 ist eine leitende Abschirmung 6 gelegt, die somit zwischen dem Wellenleiter 2 und der Plasmakammer 5 angeordnet ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Plasmakamirier 5 feste vertikale Wände 7 auf. Auf einem Boden 8 des Gehäuses 3 ist eine Hubvorrichtung 9 gelagert, mit der eine parallel zur großen Oberfläche 4 des Wellenleiters 2 liegende metallische Wand 10 höhenverstellbar relativ zum Wellenleiter 2 angeordnet ist. Durch die Verschiebung der Wand 10 ist die für die Plasmabildung wirksame Plasmakammer 5 einstellbar. Die Wand 10 kann dabei als Hubtisch wirken und einen oder mehrere im Plasma zu bearbeitende Gegenstände aufnehmen. 10
Bevorzugte Plasmabearbeitungen in der Plasmakammer 5 sind Oberflächenbearbeitungen durch Beschichtungen, Plasmapolymerisation, Oberflächen-Umschmelzvorgänge o.a.
Figur 2 verdeutlicht, daß in dem Rechteck-Hohlleiter 1 ein Hochfrequenzgenerator 11, vorzugsweise ein Mikrowellengenerator, angeordnet ist und daß zur Abstimmung der Mikrowellen in dem Hohlleiter 1 die wirksame Länge des Hohlleiters 1 mit einer verschiebbaren metallischen Wand 12 einstellbar ist.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das in den Hohlleiter 1 ragende Ende des Wellenleiters 2 unsymmetrisch ausgebildet, wobei die maximale Eintauchtiefe zum vom Hochfrequenzgenerator 11 abgewandten Ende des Wellenleiters 2 bezüglich der Länge des Hohlleiters 1 angeordnet ist. Dabei weist der Wellenleiter 2 mit seinem in den Hohlleiter ragenden Teil eine gekrümmte Kontur ohne Ecken auf, wobei die Krümmung von dem dem Hochfrequenzgenerator 11 näheren Ende zur maximalen Eintauchtiefe in den Hohlleiter 1 geringer ist als von der maximalen Eintauchtiefe zum anderen Ende des Wellenleiters 2.
Figur 2 läßt ferner die Abschirmung 6 erkennen, die mit einer Vielzahl von runden Durchgangslöchern 13 versehen ist. Dabei sind die Durchgangslöcher 13 in zum Hohlleiter 1 parallelen Reihen mit jeweils gleicher Anzahl ausgerichtet und der Durchmesser der Durchgangsöffnungen 13 nimmt mit zunehmendem
Abstand vom Hohlleiter 1 zu. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die wirksame Fläche der Durchgangsöffnungen 13 durch eine Variation der Anzahl der Durchgangsöffnungen 13 in Abhängigkeit vom Abstand zum Hohlleiter 1 zu variieren. 5
Figur 3 zeigt einen etwas variierten Wellenleiter 2', dessen in den Hohlleiter 1 ragender Teil durch zwei geradlinige Abschnitte gebildet ist, so daß der Wellenleiter 2' mit einer etwa dreieckigen Kontur in den Hohlleiter 1 ragt. Auch hierbei ist die maximale Eintauchtiefe zum vom Hochfrequenzgenerator 11 entfernten Ende des Wellenleiters 2' verschoben.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Wellenleiter 2'' ist der in den Hohlleiter 1 eintauchende Teil ebenfalls durch geradlinige Abschnitte gebildet, wobei die maximale Eintauchtiefe über eine gewisse Länge des Hohlleiters 1 konstant bleibt, so daß eine unsymmetrische, zum vom Hochfrequenzgenerator 11 abgewandten Ende des Wellenleiters 2'' verschobene Viereckstruktur in den Hohlleiter 1 ragt.
Figur 5 zeigt schematisch die Anordnung des Rechteckhohlleiters 1 und des Gehäuses 3, in dem sich der Wellenleiter 2 befindet. In diesem Ausführungsbeispiel ragt der Wellenleiter 2 nicht in den Hohlleiter 1 hinein. Vielmehr ist die Wandung des Hohlleiters 1 mit einem Fenster 14 versehen, hinter dem unmittelbar der Wellenleiter 2 angeordnet ist.
Zur Kompensation einer etwaigen Bedämpfung der Einkopplung der Energie in den Wellenleiter 2 mit zunehmendem Abstand von dem Hochfrequenzgenerator 11 ist das Fenster 14 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer sich keilförmig zum Hochfrequenzgenerator 11 hin verkleinernden Fensterfläche dargestellt. Aufgrund der in einer größeren Nähe zum Hochfrequenzgenerator 11 wirksamen kleineren Fensterfläche wird die dort vorhandene relativ größere Energiemenge mit einer entsprechenden Verminderung in den Wellenleiter 2 eingekoppelt, so daß über die Länge des Wellenleiters 2 in Längsrichtung
des Hohlleiters 1 eine möglichst gleichmäßige Energieeinkopplung bewirkt wird.
Figur 6 zeigt ein modifiziertes Fenster 14', bei dem die Vergrößerung der wirksamen Fensterfläche treppenförmig vorgenommen ist.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Fenster 14'' durch aneinandergereihte Durchgangsöffnungen 15 gebildet, deren Öffnungsfläche (durch Vergrößerung der Breite) mit zunehmendem Abstand vom Hochfrequenzgenerator 11
größer ausgebildet ist.
Li/ne

Claims (22)

1. Plasma-Bearbeitungsgerät mit einer zur Aufnahme von zu bearbeitenden Gegenständen und Materialien ausgebildeten evakuierbaren Plasmakammer (5), in der durch Einleitung elektromagnetischer Energie ein Plasma erzeugbar ist, gekennzeichnet durch
- einen Hohlleiter (1) mit einem Hochfrequenzgenerator (11) zur Erzeugung von Hochfrequenzwellen in dem Hohlleiter (1),
- einen seitlich an den Hohlleiter (1) anschließenden scheibenförmigen Wellenleiter (2, 2', 2'') und
einen als die Plasmakammer (5) dienenden Raum, der unmittelbar neben einer großen Oberfläche (4) des Wellenleiters (2, 2', 2'') angeordnet ist.
2. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Plasmakammer (5) entlang nahezu der gesamten großen Oberfläche (4) des Wellenleiters (2, 2', 2'') erstreckt.
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3. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die große Oberfläche (4) des Wellenleiters (2, 2', 2'') eine Wand der Plasmakammer (5) bildet.
4. Plasma-Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche
(4) des Wellenleiters (2, 2', 2'') und der Plasmakammer
(5) eine metallische Abschirmung (6) mit zahlreichen Durchgangsöffnungen (13) angeordnet ist und daß die Fläche der Durchgangsöffnungen (13) pro Flächeneinheit mit zunehmendem Abstand vom Hohlleiter (1) zunehmend ausgebildet ist.
5. Plasma-Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (5) mit wenigstens einer bewegbaren, elektrisch leitenden Wand (10) in seiner Größe veränderbar ist.
6. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Wand (10) der großen Oberfläche (4) des Wellenleiters (2, 2', 2'') gegenüber liegt.
7. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Wand (10) als Hubtisch ausgebildet ist.
8. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch wenigstens eine senkrecht zum Hubtisch stehende weitere bewegbare, elektrisch leitende Wand.
9. Plasma-Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Wände (10) metallische Wände sind.
10. Plasma-Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche bis 9/ dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Wellenleiter (2, 2', 2'') in den Hohlleiter (1) hineinragt, wobei der zumindest wesentlich größere Teil außerhalb des Hohlleiters (1) angeordnet ist.
11. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2, 2', 2'') mit einer unsymmetrischen Form in den Hohlleiter (1) hineinragt, wobei die maximale Eintauchtiefe des Wellen
leiters (2, 2', 2'') in den Hohlleiter (1) auf der Länge des Wellenleiters (2, 2', 2'') von dessen Mitte ausgehend zu dem vom Hochfrequenzgenerator (11) gewandten Ende verschoben ist.
12. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2) eine stetige Wölbung aufweist, die von dem dem Hochfrequenzgenerator (11) näheren Ende mit einer geringeren Krümmung zum maximalen Eintauchpunkt des Wellenleiters (2) in
den Hohlleiter (1) als von dem maximalen Eintauchpunkt zum anderen Ende verläuft.
13. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Wellenleiters (2)
etwa einer e"x-Funktion entspricht.
14. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2', 2'') von dem dem Hochfrequenzgenerator (11) näheren Ende etwa
geradlinig bis zur maximalen Eintauchtiefe verläuft und etwa geradlinig von der maximalen Eintauchtiefe zum anderen Ende zurückführt.
15. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2') etwa in Dreieckform in den Hohlleiter (1) hineinragt.
16. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Eintauchtiefe über eine gewisse Länge des Wellenleiters (2'') erhalten bleibt, so daß er etwa in Viereckform in den Hohlleiter (1) hineinragt.
17. Plasma-Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnfläche des Wellenleiters (2, 2', 2'') mit einem Fenster (14, 14', 14") des Hohlleiters (1) abschließt.
18. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (14, 14', 14'') des Hohlleiters (1) mit einer mit zunehmendem Abstand vom Hochfrequenzgenerator (11) über die Länge des Hohl
leiters (1) zunehmenden wirksamen Öffnungsfläche ausgebildet ist.
19. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fenster (14) stetig
keilförmig vergrößert.
20. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fenster (14') unstetig treppenförmig vergrößert.
21. Plasma-Bearbeitungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (14'') mehrere aneinandergereihte Durchgangsöffnungen (15) mit zunehmender Öffnungsfläche aufweist.
22. Plasma-Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter aus einer Al2O3-Keramik besteht.
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