EP0285020A2 - Arrangement for coupling microwave energy to a leaky microwave line - Google Patents

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EP0285020A2
EP0285020A2 EP88104822A EP88104822A EP0285020A2 EP 0285020 A2 EP0285020 A2 EP 0285020A2 EP 88104822 A EP88104822 A EP 88104822A EP 88104822 A EP88104822 A EP 88104822A EP 0285020 A2 EP0285020 A2 EP 0285020A2
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EP
European Patent Office
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microwave
window
conductor
energy
container
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88104822A
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German (de)
French (fr)
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EP0285020A3 (en
Inventor
Jörg Dr. Kieser
Hans-Georg Dr. Lotz
Gonde Dr. Dittmer
Michael Dr. Sellschopp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Leybold AG filed Critical Leybold AG
Publication of EP0285020A2 publication Critical patent/EP0285020A2/en
Publication of EP0285020A3 publication Critical patent/EP0285020A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/78—Arrangements for continuous movement of material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/70—Feed lines

Definitions

  • the invention relates to a device for introducing microwave energy into an at least partially permeable container for microwave energy with at least one microwave transmitter and an open microwave conductor connected to the microwave transmitter, which is located in the immediate vicinity of the container.
  • Such a container can either consist entirely of a material which is permeable to microwave energy, that is to say can be formed by a quartz tube, for example, or have a microwave-permeable window made of such a material.
  • a device of the type described above with a window is known for example from DE-PS 31 47 986.
  • the "open microwave conductor” consists of a metallic, ladder-shaped structure with two parallel bars and numerous rungs, which are at right angles to the bars and connect the bars in an electrically conductive manner, and which are equidistant from one another.
  • the rungs alternate with each other With such structures it is possible to emit the microwave power supplied at one end approximately uniformly over the length of the structure into the interior of the container.
  • slow wave structures which can also be translated with “delay structures”.
  • delay structures are microwave conductors, over which a bound electromagnetic wave travels in a defined direction.
  • the electrical power is in the form of the electrical field, that surrounds the structure with the so-called group velocity v g .
  • group velocity v Ph the phase of the wave moves with the phase velocity v Ph .
  • the two speeds are also independent in terms of their sign, so that it can easily happen that group and phase speeds run in opposite directions.
  • the term “slow” in connection with the waveguide structure can refer to both the phase velocity and the group velocity.
  • the group speed can be between 0 and the speed of light in a vacuum.
  • the value "0" applies to a structure that consists of resonance resonant circuits that are not coupled to each other and over which no wave runs.
  • the speed of light is achieved in a smooth conductor.
  • the phase speed can also assume values that are greater than the speed of light.
  • the group speed is reduced by the load on a straight conductor with periodically arranged obstacles, in the case of the above-mentioned conductor structure by the "rungs" mentioned. Depending on the arrangement of these obstacles, speeds between 1 and 100% of the speed of light can be set in practice.
  • a detailed one A discussion of the properties of periodic structures at microwave frequencies can be found in AS Harvey, IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, January 1960, 30.
  • the structure or structures at an acute angle of attack is proposed both in the aforementioned DE-PS 31 47 986 as well as in US Pat. No. 3,472,200 and in US Pat. No. 3,814,983 to be placed opposite the neighboring matter.
  • a uniform plasma is to be achieved over the entire length of this container.
  • the effectiveness and limits of this measure are described in DE-PS 31 47 986, so that the use of two structures intersecting at an acute angle with opposing energy supply is proposed to eliminate the disturbing influences.
  • the known solution led to a uniformity sufficient for many applications over a length of the excited plasma of approx.
  • the invention is therefore based on the object of improving a device of the type described at the outset in such a way that a great length expansion of the excited plasma with an extremely uniform energy distribution in the plasma is achieved with little structural outlay.
  • the object is achieved in that the open microwave guide is provided with a microwave feed line at least at both ends thereof.
  • each microwave conductor can first be arranged completely parallel to the container surface or to the window.
  • the substrate no longer has to pass through two plasma zones one after the other, possibly with different thicknesses, so that a much more homogeneous layer structure can be achieved.
  • the open microwave conductor is practically as often as desired along its length with other microwaves supply lines, there are no practical limits to the length change.
  • the arrangement is not only mechanically but also electrically stabilized.
  • the number of microwave inlets is an even number, e.g. two microwave feed lines can be connected to a single microwave transmitter via a T-shaped divider.
  • At least two microwave feed lines with a fixed phase relationship are connected to the at least one microwave transmitter. This is preferably possible by coupling one transmitter to two microwave feed lines through the line branch described above. However, several transmitters with a fixed phase relationship can also be used, so that in this case the microwave feed lines are each connected to their own microwave transmitter.
  • window thicknesses of approximately 15 to 20 mm can be expected purely by calculation.
  • partial reflection of the microwave energy occurs both on the front and on the back of the window, so that a corresponding interference can be observed.
  • a corresponding electromagnetic wave is formed in the dielectric of the window.
  • the surface of the window facing the microwave guide has a covering made of a material with a smaller refractive index than that of the window material.
  • the microwave guide is V-shaped in a symmetrical arrangement and has a smaller distance from the window at the apex of the “V” than at its feed points.
  • FIG. 1 shows a partial length of an open microwave conductor 1 of the type described above above a microwave-permeable window 7.
  • the microwave conductor 1 is made of metal, namely from two parallel bars 2 and 3, which are bridged at equidistant intervals by rungs 4 extending at right angles to the bars. The rungs are alternately connected to one of two center conductors 5 and 6.
  • the microwave-permeable window 7 is also only shown in a partial section. It consists of a quartz glass pane 8 facing the plasma with a thickness of 30 mm and a covering 9 made of polytetrafluroethylene with a thickness of 5 mm.
  • Such a window 7 is also shown in FIG. 2, it closes the upper wall 10 of a vacuum chamber 11, which is bounded at the bottom by a further wall 12.
  • a substrate holder 13 with numerous substrates 14 becomes through the space between the walls 10 and 12 emotional.
  • the direction of movement is indicated by an arrow 15; it runs at right angles to the longest axis of window 7.
  • the open simplified microwave guide 1 is arranged in parallel. Only the rear part of a shielding housing 16 is shown.
  • the microwave conductor 1 is provided at intervals with microwave feed lines 17 and 18 which are connected to a microwave transmitter 21 via a T-shaped distributor piece 19 and a connecting piece 20.
  • the microwave feed line 17 is connected to one end of the microwave conductor 1.
  • the microwave feed line 18 opens into the microwave guide 1 at a location distant therefrom.
  • a mirror-symmetrical arrangement is located at the other end of the microwave guide 1, which is not shown further here.
  • FIG. 3 shows an arrangement which can be thought of as a result of doubling the relationships according to FIG. 2.
  • a further microwave transmitter 22 is provided, which merges via a T-shaped distributor piece 23 into two further microwave feed lines 24 and 25, which open into the microwave guide 1 in a mirror-symmetrical arrangement to the feed lines 17 and 18.
  • the microwave transmitters 21 and 22 are operated in a fixed phase relationship to one another, and the same fixed phase position is also ensured with respect to the microwave conductor 1 by the line branches or distributors 19 and 23.
  • FIG. 4 shows a graphic representation of the test results for two differently designed microwave conductors, each 900 mm long.
  • This microwave guide was provided at both ends with the microwave feed lines 17 and 18. This resulted in a layer thickness distribution as given by the upper curve 26.
  • the weak formation of a minimum in the middle of the microwave guide was observed. Through a weakly V-shaped configuration of a microwave conductor 1 a, which is indicated by the dashed lines, this minimum could be eliminated in the middle, as is evident from the lower curve 27.
  • a length of the microwave guide of 900 mm already doubles the length of the previously available microwave guide.
  • the deviations in the layer thickness uniformity were between approximately ⁇ 5% and ⁇ 10%.
  • the ordinate shows the layer thickness belonging to curves 26 and 27 for coatings made from hexamethylene disilazane and from acetylene in nanometers (nm).
  • FIG. 3 28 denotes an adapter which is designed as a 3-bar tuner. This has a measuring point for the forward power P V. Upstream of each is a circulator 29 for decoupling the reverse power P R , which is fed via a microwave line 30 to a reactive load, not shown. This protects the transmitters 21 and 22 from reverse power.
  • FIG. 5 shows the reflection of a microwave with a frequency of 2.5 GHz from the atmosphere-side surface of the microwave window in both polarization directions for all angles of incidence.
  • the angles of incidence from 0 to 90 degrees are plotted on the abscissa.
  • the solid lines represent a quartz glass surface; the dashed lines for a window with a covering of polytetrafluoroethylene. Integrated across all angles of incidence, there is a significant reduction in reflection to about half if, instead of a pure quartz glass window, one is used which is provided with a 5 mm thick covering made of polytetrafluoroethylene.

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Abstract

Vorrichtung zur Einbringung von Mikrowellenenergie in einen mindestens teilweise für Mikrowellenenergie durchlässigen Behälter. Mindestens ein Mikrowellensender (21, 22) und ein an den Mikrowellensender angeschlossener offener Mikrowellenleiter (1) befinden sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Behälters. Um die Längenausdehnung des durch die Mikrowellenenergie erzeugten Plasmas zu vergrößern und die Energieverteilung zu vergleichmäßigen, ist der offene Mikrowellenleiter (1) mindestens an seinen beiden Enden mit einer Mikrowellenzuleitung (17, 18; 24, 25) versehen.Device for introducing microwave energy into a container which is at least partially permeable to microwave energy. At least one microwave transmitter (21, 22) and an open microwave conductor (1) connected to the microwave transmitter are located in the immediate vicinity of the container. In order to increase the linear expansion of the plasma generated by the microwave energy and to even out the energy distribution, the open microwave guide (1) is provided with a microwave feed line (17, 18; 24, 25) at least at both ends.

Description



Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einbringung von Mikrowellenenergie in einen mindestens teilweise für Mikrowellenenergie durchlässigen Behälter mit mindestens einem Mikrowellensender und einem an den Mikrowellensender angeschlossenen offenen Mikrowellen­leiter, der sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Behälters befindet.The invention relates to a device for introducing microwave energy into an at least partially permeable container for microwave energy with at least one microwave transmitter and an open microwave conductor connected to the microwave transmitter, which is located in the immediate vicinity of the container.

Ein solcher Behälter kann entweder vollständig aus einem für Mikrowellenenergie durchlässigen Material bestehen, also beispielhaft durch ein Quarzrohr ge­bildet werden, oder ein mikrowellendurchlässiges Fenster aus einem solchen Werkstoff aufweisen.Such a container can either consist entirely of a material which is permeable to microwave energy, that is to say can be formed by a quartz tube, for example, or have a microwave-permeable window made of such a material.

Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung mit einem Fenster ist beispielhaft durch die DE-PS 31 47 986 bekannt. Der "offene Mikrowellen­leiter" besteht dabei aus einem metallischen, leiter­förmigen" Gebilde mit zwei parallelen Holmen und zahlreichen, im rechten Winkel zu den Holmen stehenden und die Holme elektrisch leitend miteinander ver­bindenden Sprossen, die einen äquidistanten Abstand voneinander aufweisen. Die Sprossen sind alter­nierend mit je einem von zwei Mittelleitern ver­bunden. Mit derartigen Strukturen ist es möglich, die an einem Ende zugeführte Mikrowellenleistung über die Länge der Struktur in etwa gleichmäßig in den Innenraum des Behälters abzugeben. Im englischen Sprachbereich werden derartige Strukturen auch als "slow wave structures" bezeichnet, was auch mit "Verzögerungs -Strukturen" zu übersetzen ist.A device of the type described above with a window is known for example from DE-PS 31 47 986. The "open microwave conductor" consists of a metallic, ladder-shaped structure with two parallel bars and numerous rungs, which are at right angles to the bars and connect the bars in an electrically conductive manner, and which are equidistant from one another. The rungs alternate with each other With such structures it is possible to emit the microwave power supplied at one end approximately uniformly over the length of the structure into the interior of the container. In the English language area such structures are also referred to as "slow wave structures", which can also be translated with "delay structures".

"Verzögerungs-Strukturen sind im Prinzip Mikro­wellenleiter, über die eine gebundene elektromagnetische Welle in definierter Richtung hinwegläuft. Die elektrische Leistung wird hierbei in Form des elektrischen Feldes, das die Struktur umgibt, mit der sogenannten Gruppen­geschwindigkeit vg transportiert. Unabhängig hier­von bewegt sich die Phase der Welle mit der Phasen­geschwindigkeit vPh. Die beiden Geschwindigkeiten sind auch ihrem Vorzeichen nach unabhängig, so daß es ohne weiteres vorkommen kann, daß Gruppen- und Phasengeschwindigkeit in eintgegengesetzten Richtungen laufen. Der Ausdruck "langsam" im Zusammenhang mit der Wellenleiterstruktur kann sich sowohl auf die Phasengeschwindigkeit als auch auf die Gruppenge­schwindigkeit beziehen. Generell kann die Gruppen­geschwindigkeit zwischen 0 und der Lichtgeschwindig­keit im Vakuum liegen. Der Wert "0" gilt für eine Struktur, die aus miteinander nicht gekoppelten Resonanz-Schwingkreisen besteht, über die keine Welle läuft. Lichtgeschwindigkeit wird dagegen in einem glatten Leiter erreicht. Die Phasenge­schwindigkeit hingegen kann auch Werte annehmen, die größer sind als die Lichtgeschwindigkeit."In principle, delay structures are microwave conductors, over which a bound electromagnetic wave travels in a defined direction. The electrical power is in the form of the electrical field, that surrounds the structure with the so-called group velocity v g . Regardless of this, the phase of the wave moves with the phase velocity v Ph . The two speeds are also independent in terms of their sign, so that it can easily happen that group and phase speeds run in opposite directions. The term "slow" in connection with the waveguide structure can refer to both the phase velocity and the group velocity. In general, the group speed can be between 0 and the speed of light in a vacuum. The value "0" applies to a structure that consists of resonance resonant circuits that are not coupled to each other and over which no wave runs. In contrast, the speed of light is achieved in a smooth conductor. The phase speed, on the other hand, can also assume values that are greater than the speed of light.

Die Gruppengeschwindigkeit wird durch die Belastung eines geraden Leiters mit periodisch angeordneten Hindernissen, bei der eingangs angegebenen Leiter­struktur durch die genannten "Sprossen" erniedrigt. Je nach Anordnung dieser Hindernisse lassen sich in der Praxis Geschwindigkeiten zwischen 1 und 100 % der Lichtgeschwindigkeit einstellen. Eine ausführliche Abhandlung über die Eigenschaften von periodischen Strukturen bei Mikrowellenfrequenzen findet sich bei A.S. Harvey, IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, January 1960, 30.The group speed is reduced by the load on a straight conductor with periodically arranged obstacles, in the case of the above-mentioned conductor structure by the "rungs" mentioned. Depending on the arrangement of these obstacles, speeds between 1 and 100% of the speed of light can be set in practice. A detailed one A discussion of the properties of periodic structures at microwave frequencies can be found in AS Harvey, IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, January 1960, 30.

In der Literatur ist eine ganze Reihe von Langsam­wellen-Strukturen zur Einspeisung von Mikrowellen-­Energie in Behälter und/oder Materie beschrieben:A whole series of slow-wave structures for feeding microwave energy into containers and / or matter is described in the literature:

Es ist dabei von besonderem Interesse, daß das mit einem bestimmten Leistungsfluß längs der Struktur verknüpfte elektrische Feld offensichtlich mit kleiner werdender Gruppengeschwindigkeit größer werden muß, d.h. für einen konstanten Leistungsfluß gilt die Bezeihung:
    E²∼1/vg.It is of particular interest that the electrical field associated with a certain power flow along the structure must obviously become larger with decreasing group speed, ie the relationship applies to a constant power flow:
E²∼1 / v g .

Dieses Feld kann für kleine Gruppengeschwindigkeiten so groß werden und sich so weit von der führenden Struktur weg in den Raum erstrecken, daß es zur Er­zeugung von nicht-thermischen Niederdruckplasmen geeignet ist. Eine solche Anwendung wird z.B. von der Autorengruppe E.S. Hotston, J.M. Weaver, D.J.H Wort, in "U.K.A.E.A. Research Report", CLM-R78, 1968, diskutiert. Es handelt sich hierbei um eine theoretische Abhandlung, die sich mit der Einkopplung von Mikro­wellenenergie in ein Plasma beschäftigt. Die Energie wird hierbei von einer außerhalb des Plasmas be­findlichen Langsamwellen-Struktur eingekoppelt. Das Plasma selbst ist durch ein Magnetfeld begrenzt.This field can become so large for small group speeds and extend so far into space from the leading structure that it is suitable for generating non-thermal low pressure plasmas. Such an application is discussed, for example, by the group of authors ES Hotston, JM Weaver, DJH Wort, in "UKAEA Research Report", CLM-R78, 1968. This is a theoretical paper dealing with the coupling of microwave energy into a plasma. The energy is coupled in from a slow-wave structure located outside the plasma. The Plasma itself is limited by a magnetic field.

Durch die US-PS 3 663 858 ist es bekannt, mit einer schraubenlinienförmig ausgebildeten Langsamwellen-­Struktur in einem Plasmabehälter ein Niederdruck­plasma zu erzeugen.From US Pat. No. 3,663,858, it is known to generate a low-pressure plasma in a plasma container using a slow-wave structure which is of helical design.

Zur Vergleichmäßigung der Energieeinbringung über die Länge der Struktur wird sowohl in der eingangs genannten DE-PS 31 47 986 als auch in der US-PS 3 472 200 und in der US-PS 3 814 983 vorgeschlagen, die Struktur oder Strukturen unter einem spitzen Anstellwinkel gegenüber der benachbarten Materie anzuordnen. Bei Verwendung eines Behälters soll dabei über die gesamte Länge dieses Behälters ein einheit­liches Plasma erreicht werden. Die Wirksamkeit und Grenzen dieser Maßnahme sind in der DE-PS 31 47 986 beschrieben, so daß dort zur Beseitigung der störenden Einflüsse die Verwendung von zwei sich unter einem spitzen Winkel kreuzenden Strukturen mit gegenläufiger Energieeinspeisung vorgeschlagen wird. Die bekannte Lösung führte auf einer Länge des ange­regten Plasmas von ca. 450 mm zu einer für viele Anwendungsfälle ausreichenden Gleichmäßigkeit, die je nach den für den Plasmaprozeß verwendeten Monomeren zwischen ± 5% und ± 10 % schwankt. Gleichzeitig zeigt der praktische Betrieb jedoch eine Reihe von Grenzen der bekannten Lösung:
- Es handelt sich in Folge der Komplexität um eine relativ aufwendige und teuere Vorrichtung.
- Da das Substrat nacheinander zwei Plasmazonen mit in der Regel unterschiedlicher Stärke durchwandert, ist auch eine Änderung im Aufbau der Schicht die Folge.
- Die Strukturlänge ist nicht beliebig vergrößerbar. Hierbei tritt nämlich die Schwierigkeit auf, daß mit zunehmender Strukturlänge der erforderliche Anstellwinkel relativ zum Mikrowellenfenster immer spitzer wird, was neben mechanischen auch zu elektrischen Instabilitäten führt.
- Bei der für große Substratbreiten erforderlichen Aufteilung der Plasmalänge auf zwei oder drei in Reihe angeordnete Strukturen tritt das Phänomen sogenannter "Plasmabäuche" in dem optisch sicht­baren Plasma auf, die sich auch in einer ungleich­mäßigen Schichtdickenverteilung widerspiegeln. Die Ursache dieses Phänomens ist bisher nicht geklärt.In order to even out the energy input over the length of the structure, the structure or structures at an acute angle of attack is proposed both in the aforementioned DE-PS 31 47 986 as well as in US Pat. No. 3,472,200 and in US Pat. No. 3,814,983 to be placed opposite the neighboring matter. When using a container, a uniform plasma is to be achieved over the entire length of this container. The effectiveness and limits of this measure are described in DE-PS 31 47 986, so that the use of two structures intersecting at an acute angle with opposing energy supply is proposed to eliminate the disturbing influences. The known solution led to a uniformity sufficient for many applications over a length of the excited plasma of approx. 450 mm, which varies between ± 5% and ± 10% depending on the monomers used for the plasma process. At the same time, practical operation shows a number of limitations of the known solution:
- Due to the complexity, it is a relatively complex and expensive device.
- Since the substrate successively traverses two plasma zones with generally different thicknesses, this also results in a change in the structure of the layer.
- The structure length cannot be increased arbitrarily. This is because the difficulty arises that as the structure length increases, the required angle of attack relative to the microwave window becomes increasingly acute, which leads not only to mechanical but also to electrical instabilities.
- When the plasma length is divided into two or three structures arranged in series for large substrate widths, the phenomenon of so-called "plasma bellies" occurs in the optically visible plasma, which is also reflected in an uneven layer thickness distribution. The cause of this phenomenon has not yet been clarified.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung dahin­gehend zu verbessern, daß bei geringem baulichem Auf­wand eine große Längenausdehnung des angeregten Plasmas mit außerordentlich gleichmäßiger Energie­verteilung im Plasma erreicht wird.The invention is therefore based on the object of improving a device of the type described at the outset in such a way that a great length expansion of the excited plasma with an extremely uniform energy distribution in the plasma is achieved with little structural outlay.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß der offene Mikrowellenleiter mindestens an seinen beiden Enden mit einer Mikrowellenzu­leitung versehen ist.In the device described at the outset, the object is achieved in that the open microwave guide is provided with a microwave feed line at least at both ends thereof.

Diese Bauweise steht in völliger Abkehr von den bis­her praktizierten Konstruktionsvorschriften, am Ende eines jeden offenen Mikrowellenleiters nur eine einzige Mikrowellenzuleitung vorzusehen. An das entgegenge­setzte Ende des offenen Mikrowellenleiters war dann allenfalls eine sogenannte Blindlast über eine Mikrowellenableitung angeschlossen. Diese Maßnahme ist gleichfalls in der DE-PS 31 47 986 beschrieben, sie führt aber nicht zur Lösung der bestehenden Probleme.This design is in complete departure from the previously practiced design regulations to provide only a single microwave feed at the end of each open microwave conductor. At most, a so-called reactive load was then connected to the opposite end of the open microwave conductor via a microwave discharge line. This measure is also described in DE-PS 31 47 986, but it does not lead to the solution of the existing problems.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme kann zunächst jeder Mikrowellenleiter vollständig parallel zur Behälteroberfläche bzw. zum Fenster angeordnet werden.When using the measure according to the invention, each microwave conductor can first be arranged completely parallel to the container surface or to the window.

Das Substrat braucht nicht mehr nacheinander zwei Plasmazonen mit gegebenenfalls unterschiedlicher Stärke zu durchwandern, so daß ein weitaus homogenerer Schichtaufbau erzielbar ist.The substrate no longer has to pass through two plasma zones one after the other, possibly with different thicknesses, so that a much more homogeneous layer structure can be achieved.

Da der offene Mikrowellenleiter praktisch beliebig häufig über seine Länge mit weiteren Mikrowellen­ zuleitungen versehen werden kann, sind der Längenver­änderung keine praktischen Grenzen gesetzt. Durch den Verzicht auf einen spitzen Anstellwinkel wird die Anordnung nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch stabilisiert.Since the open microwave conductor is practically as often as desired along its length with other microwaves supply lines, there are no practical limits to the length change. By dispensing with an acute angle of attack, the arrangement is not only mechanically but also electrically stabilized.

Das Phänomen der "Plasmabäuche" tritt nicht auf.The phenomenon of "plasma bellies" does not occur.

Sofern die Anzahl der Mikrowellenzuleitungen eine gerade Zahl ist, können z.B. jeweils zwei Mikrowellen­zuleitungen über einen T-förmigen Teiler an einen einzigen Mikrowellensender angeschlossen werden.If the number of microwave inlets is an even number, e.g. two microwave feed lines can be connected to a single microwave transmitter via a T-shaped divider.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn mindestens zwei Mikrowellenzuleitungen mit fester Phasenbe­ziehung an den mindestens einen Mikrowellensender angeschlossen sind. Dies ist vorzugsweise durch die Ankopplung jeweils eines Senders an zwei Mikrowellen­zuleitungen durch die vorstehend beschriebene Leitungsverzweigung möglich. Es können jedoch auch mehrere Sender mit fester Phasenbeziehung verwendet werden, so daß in diesem Falle die Mikrowellen­zuleitungen mit je einem eigenen Mikrowellensender verbunden sind.It is particularly advantageous if at least two microwave feed lines with a fixed phase relationship are connected to the at least one microwave transmitter. This is preferably possible by coupling one transmitter to two microwave feed lines through the line branch described above. However, several transmitters with a fixed phase relationship can also be used, so that in this case the microwave feed lines are each connected to their own microwave transmitter.

Es ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung im Zusammenhang mit einem Behälter, in dem sich in an sich bekannter Weise ein Fenster aus einem mikrowellen­durchlässigen Werkstoff befindet, besonders vorteilhaft, wenn dessen Dicke der Beziehung

Figure imgb0001
entspricht, wobei "λ" die Wellenlänge der Mikrowelle und "n" der Brechungsindex des Fenstermaterials für die Mikrowelle ist.According to a development of the invention, it is particularly advantageous in connection with a container in which there is a window made of a microwave-permeable material in a manner known per se, if its thickness of the relationship
Figure imgb0001
 corresponds, where "λ" is the wavelength of the microwave and "n" is the refractive index of the window material for the microwave.

Der Stand der Technik setzt sich mit dieser Dimensionierungsvorschrift nicht auseinander, was vornehmlich daran liegen mag, daß sich der gesamte Stand der Technik lediglich mit sehr klein dimensionierten Vorrichtungen auseinandersetzt, bei denen die Wandstärke bzw. die Dicke des Fensters sehr klein gegenüber der Wellenlänge ist, die bei den üblicherweise verwendeten Frequenzen etwa 12 cm (f=2,5 GHz) beträgt.The prior art does not deal with this dimensioning rule, which may be primarily due to the fact that the entire state of the art deals only with very small-sized devices in which the wall thickness or the thickness of the window is very small compared to the wavelength, which is about 12 cm (f = 2.5 GHz) at the commonly used frequencies.

Bei großtechnischen Anlagen sind jedoch bereits im Hinblick auf die zu erwartende Druckdifferenz, der das Fenster standhalten muß, rein rechnerisch Fenster­dicken von etwa 15 bis 20 mm zu erwarten. Hierbei tritt jedoch eine Teilreflexion der Mikrowellenenergie sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterseite des Fensters auf, so daß eine entsprechende Interferenz zu beobachten ist. Außerdem bildet sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes um die Verzögerungs-­Struktur herum eine entsprechende elektro-magnetische Welle im Dielektrikum des Fensters aus.In large-scale plants, however, with regard to the pressure difference to be expected that the window has to withstand, window thicknesses of approximately 15 to 20 mm can be expected purely by calculation. Here, however, partial reflection of the microwave energy occurs both on the front and on the back of the window, so that a corresponding interference can be observed. In addition, under the influence of the electric field around the delay structure, a corresponding electromagnetic wave is formed in the dielectric of the window.

Es wurde erfindungsgemäß gefunden, daß diese Problematik bei Anwendung der vorstehend beschriebenen Dimensionierungs­vorschrift unterbleibt. Bei Quarzglas mit einem n = 1,94 ergibt sich rechnerisch eine Fensterdicke von d = 30 mm, die sich als optimal erwiesen hat.It has been found according to the invention that this problem does not occur when the dimensioning rule described above is applied. In the case of quartz glass with an n = 1.94, the calculated window thickness is d = 30 mm, which has proven to be optimal.

Mit derart dimensionierten Fenstern durchgeführte Ver­suche ergaben eine deutliche Verbesserung der Gleich­förmigkeit der Plasmazone bei gleichzeitig merklich verringerter Schwächung der in das Plasma einge­koppelten Mikrowellenleistung. Es konnte beobachtet werden, daß die eingekoppelte Leistung deutlich zurückfällt, wenn man die Dicke des Fensters von 30 mm auf 15 mm verringert. Die Folge war, daß das Plasma überhaupt nicht bzw. nur schwer zündet.Experiments carried out with windows dimensioned in this way resulted in a significant improvement in the uniformity of the plasma zone with, at the same time, a noticeably reduced weakening of the microwave power coupled into the plasma. It could be observed that the coupled power drops significantly if the thickness of the window is reduced from 30 mm to 15 mm. The result was that the plasma did not ignite at all or only with difficulty.

Es ist im Rahmen der weiteren Ausgestaltung der Erfindung wiederum besonders vorteilhaft, wenn die dem Mikro­wellenleiter zugekehrte Oberfläche des Fensters einen Belag aus einen Werkstoff mit einem kleineren Brechungs­index als dem des Fenstermaterials aufweist.It is again particularly advantageous in the context of the further embodiment of the invention if the surface of the window facing the microwave guide has a covering made of a material with a smaller refractive index than that of the window material.

Hierdurch ist es möglich, die Reflexion der Mikrowelle an der atmosphärenseitigen Oberfläche des Mikrowellen­fensters zu reduzieren. Praktische Versuche haben er­geben, daß optimale Verhältnisse dann eintreten, wenn als Belag eine Polytetrafluoräthylen-Platte mit einer Dicke von etwa 5 mm verwendet wird. Hierbei waren zwei gegenläufige Effekte abzuwägen: Einerseits nahm die Ver­ gleichmäßigung des Plasmas mit wachsender Schicht­dicke des Belags zu, andererseits wurde gleich­zeitig die Einkopplung der Mikrowellenenergie spür­bar geringer.This makes it possible to reduce the reflection of the microwave on the atmosphere-side surface of the microwave window. Practical tests have shown that optimal conditions occur when a polytetrafluoroethylene plate with a thickness of about 5 mm is used as the covering. Two opposing effects had to be weighed up: On the one hand, the Ver uniformity of the plasma with increasing layer thickness of the topping, on the other hand the coupling of the microwave energy became noticeably less.

Es ist schließlich wiederum besonders vorteilhaft, wenn der Mikrowellenleiter in symmetrischer Anordnung V-förmig ausgebildet ist, und im Scheitel des "V" einen kleineren Abstand vom Fenster aufweist, als an seinen Einspeisungsstellen.Finally, it is again particularly advantageous if the microwave guide is V-shaped in a symmetrical arrangement and has a smaller distance from the window at the apex of the “V” than at its feed points.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und ihre Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.Exemplary embodiments of the subject matter of the invention and their mode of operation are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 5.

Es zeigen:

  • Figur 1 Teilausschnitte aus einem Fenster und einem darüber angebrachten Mikrowellenleiter,
  • Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer Vakuum­kammer mit einem Fenster, einen Mikrowellen­leiter und zwei Einspeisungsstellen, jeweils in Form von Teilausschnitten,
  • Figur 3 eine Seitenansicht eines Mikrowellenleiters mit vier Einspeisungsstellen und zwei Mikrowellensendern,
  • Figur 4 ein Diagramm mit Kurven über den Schicht­dickenverlauf und
  • Figur 5 ein weiteres Diagramm über die Reflexionsver­hältnisse bei Fenstern ohne und mit einem Belag aus Polytetrafluoräthylen.
Show it:
  • FIG. 1 partial sections from a window and a microwave guide attached above it,
  • FIG. 2 shows a perspective view of a vacuum chamber with a window, a microwave guide and two feed points, each in the form of partial cutouts,
  • FIG. 3 shows a side view of a microwave conductor with four feed points and two microwave transmitters,
  • 4 shows a diagram with curves over the course of the layer thickness
  • Figure 5 shows a further diagram of the reflection conditions in windows without and with a covering made of polytetrafluoroethylene.

In Figur 1 ist eine Teillänge eines offenen Mikro­wellenleiters 1 der weiter oben beschriebenen Bauart über einem mikrowellendurchlässigen Fenster 7 darge­stellt. Der Mikrowellenleiter 1 besteht aus Metall, und zwar aus zwei parallelen Holmen 2 und 3, die in äquidistanten Abständen durch rechtwinklig zu den Holmen verlaufende Sprossen 4 überbrückt sind. Die Sprossen sind alternierend mit je einem von zwei Mittelleitern 5 und 6 verbunden.FIG. 1 shows a partial length of an open microwave conductor 1 of the type described above above a microwave-permeable window 7. The microwave conductor 1 is made of metal, namely from two parallel bars 2 and 3, which are bridged at equidistant intervals by rungs 4 extending at right angles to the bars. The rungs are alternately connected to one of two center conductors 5 and 6.

Das mikrowellendurchlässige Fenster 7 ist gleichfalls nur in einem Teilausschnitt dargestellt. Es besteht aus einer dem Plasma zugekehrten Quarzglasscheibe 8 mit einer Dicke von 30 mm und einem aus Polytetra­fluroäthylen bestehenden Belag 9 mit einer Dicke von 5 mm.The microwave-permeable window 7 is also only shown in a partial section. It consists of a quartz glass pane 8 facing the plasma with a thickness of 30 mm and a covering 9 made of polytetrafluroethylene with a thickness of 5 mm.

Ein solches Fenster 7 ist auch in Figur 2 dargestellt, es verschließt die obere Wand 10 einer Vakuumkammer 11, die nach unten hin durch eine weitere Wand 12 begrenzt ist. Durch den Zwischenraum zwischen den Wänden 10 und 12 wird ein Substrathalter 13 mit zahlreichen Substraten 14 bewegt. Die Bewegungsrichtung ist durch einen Pfeil 15 angedeutet; sie verläuft rechtwinklig zur längsten Achse des Fensters 7.Such a window 7 is also shown in FIG. 2, it closes the upper wall 10 of a vacuum chamber 11, which is bounded at the bottom by a further wall 12. A substrate holder 13 with numerous substrates 14 becomes through the space between the walls 10 and 12 emotional. The direction of movement is indicated by an arrow 15; it runs at right angles to the longest axis of window 7.

Über dem Fenster 7 ist parallel hierzu der offene vereinfach dargestellte Mikrowellenleiter 1 angeordnet. Von einem ab­schirmenden Gehäuse 16 ist nur der hintere Teil dargestellt.Above the window 7, the open simplified microwave guide 1 is arranged in parallel. Only the rear part of a shielding housing 16 is shown.

Der Mikrowellenleiter 1 ist in Abständen mit Mikro­wellenzuleitungen 17 und 18 versehen, die über ein T-förmiges Verteilerstück 19 und einen Anschluß­stutzen 20 mit einem Mikrowellensender 21 verbunden sind. Im vorliegenden Fall ist die Mikrowellenzu­leitung 17 mit dem einen Ende des Mikrowellenleiters 1 verbunden. Die Mikrowellenzuleitung 18 mündet an einer davon entfernten Stelle in den Mikrowellen­leiter 1. Eine spiegelsymmetrische Anordnung be­findet sich am anderen Ende des Mikrowellenleiters 1, was hier nicht weiter dargestellt ist.The microwave conductor 1 is provided at intervals with microwave feed lines 17 and 18 which are connected to a microwave transmitter 21 via a T-shaped distributor piece 19 and a connecting piece 20. In the present case, the microwave feed line 17 is connected to one end of the microwave conductor 1. The microwave feed line 18 opens into the microwave guide 1 at a location distant therefrom. A mirror-symmetrical arrangement is located at the other end of the microwave guide 1, which is not shown further here.

Figur 3 zeigt eine Anordnung, die man sich durch Ver­doppelung der Verhältnisse nach Figur 2 entstanden denken kann. In diesem Falle ist ein weiterer Mikro­wellensender 22 vorgesehen, der über ein T-förmiges Verteilerstück 23 in zwei weitere Mikrowellenzu­leitungen 24 und 25 übergeht, die in spiegel­symmetrischer Anordnung zu den Zuleitungen 17 und 18 in den Mikrowellenleiter 1 einmünden. Die Mikrowellen­sender 21 und 22 werden in einer festen Phasenbe­ziehung zueinander betrieben, und durch die Leitungs­verzweigungen bzw. Verteilerstücke 19 und 23 wird auch in Bezug auf den Mikrowellenleiter 1 die gleiche feste Phasenlage gewährleistet.FIG. 3 shows an arrangement which can be thought of as a result of doubling the relationships according to FIG. 2. In this case, a further microwave transmitter 22 is provided, which merges via a T-shaped distributor piece 23 into two further microwave feed lines 24 and 25, which open into the microwave guide 1 in a mirror-symmetrical arrangement to the feed lines 17 and 18. The microwave transmitters 21 and 22 are operated in a fixed phase relationship to one another, and the same fixed phase position is also ensured with respect to the microwave conductor 1 by the line branches or distributors 19 and 23.

Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung der Ver­suchsergebnisse bei zwei unterschiedlich ausge­bildeten Mikrowellenleitern von jeweils 900 mm Länge. Dieser Mikrowellenleiter war an seinen beiden Enden mit den Mikrowellenzuleitungen 17 und 18 ver­sehen. Es ergab sich auf diese Weise eine Schicht­dickenverteilung, wie sie durch die obere Kurve 26 gegeben ist. Hierbei wurde noch die schwache Aus­bildung eines Minimums in der Mitte des Mikrowellen­leiters beobachtet. Durch eine schwach V-förmige Aus­bildung eines Mikrowellenleiters 1a, der durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, konnte eine Be­seitigung dieses Minimums in der Mitte erreicht werden, wie sich dies aus der unteren Kurve 27 er­gibt. Es ist zu beachten, daß bereits eine Länge des Mikrowellenleiters von 900 mm eine Verdoppelung der Länge der zuvor verfügbaren Mikrowellenleiter dar­stellt. Die Abweichungen in der Schichtdickengleich­mäßigkeit lagen zwischen etwa ± 5 % und ± 10 %. Auf der Ordinate ist die zu den Kurven 26 und 27 gehörende Schichtdicke für Beläge aus Hexamethylendisilazan und aus Azetylen in Nanometern (nm) dargestellt.FIG. 4 shows a graphic representation of the test results for two differently designed microwave conductors, each 900 mm long. This microwave guide was provided at both ends with the microwave feed lines 17 and 18. This resulted in a layer thickness distribution as given by the upper curve 26. The weak formation of a minimum in the middle of the microwave guide was observed. Through a weakly V-shaped configuration of a microwave conductor 1 a, which is indicated by the dashed lines, this minimum could be eliminated in the middle, as is evident from the lower curve 27. It should be noted that a length of the microwave guide of 900 mm already doubles the length of the previously available microwave guide. The deviations in the layer thickness uniformity were between approximately ± 5% and ± 10%. The ordinate shows the layer thickness belonging to curves 26 and 27 for coatings made from hexamethylene disilazane and from acetylene in nanometers (nm).

In Figur 3 ist mit 28 je ein Anpassungsglied bezeichnet, das als 3-Stab-Tuner ausgeführt ist. Dieses besitzt eine Meßstelle für die Vorwärtsleistung PV. Vorgeschaltet ist je ein Zirkulator 29 zur Auskoppelung der Rückwärtsleistung PR, die über eine Mikrowellenleitung 30einer nicht gezeigten Blindlast zugeführt wird. Dadurch werden die Sender 21 und 22 gegenüber der Rückwärtsleistung geschützt.In FIG. 3, 28 denotes an adapter which is designed as a 3-bar tuner. This has a measuring point for the forward power P V. Upstream of each is a circulator 29 for decoupling the reverse power P R , which is fed via a microwave line 30 to a reactive load, not shown. This protects the transmitters 21 and 22 from reverse power.

Figur 5 zeigt die Reflexion einer Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,5 GHz von der atmosphärenseitigen Ober­fläche des Mikrowellenfensters in beiden Polarisierungs­richtungen für alle Einfallswinkel. Die Einfalls­winkel von 0 bis 90 Grad sind auf der Abszisse aufge­tragen. Die ausgezogenen Linien stehen für eine Quarzglasoberfläche; die gestrichelten Linien für ein Fenster mit einem Belag aus Polytetrafluoräthylen. Integriert über alle Einfallswinkel ergibt sich eine deutliche Reflexionsverminderung auf etwa die Hälfte, wenn man an Stelle eines reinen Quarzglas­fensters ein solches verwendet, das mit einem 5 mm dicken Belag aus Polytetrafluoräthylen versehen ist.FIG. 5 shows the reflection of a microwave with a frequency of 2.5 GHz from the atmosphere-side surface of the microwave window in both polarization directions for all angles of incidence. The angles of incidence from 0 to 90 degrees are plotted on the abscissa. The solid lines represent a quartz glass surface; the dashed lines for a window with a covering of polytetrafluoroethylene. Integrated across all angles of incidence, there is a significant reduction in reflection to about half if, instead of a pure quartz glass window, one is used which is provided with a 5 mm thick covering made of polytetrafluoroethylene.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Einbringung von Mikrowellenenergie in einen mindestens teilweise für Mikrowellenenergie durchlässigen Behälter mit mindestens einem Mikro­wellensender und einem an den Mikrowellensender ange­schlossenen offenen Mikrowellenleiter, der sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Behälters befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Mikrowellen­leiter (1) mindestens an seinen beiden Enden mit einer Mikrowellenzuleitung (17, 18; 24, 25) ver­sehen ist,1. Device for introducing microwave energy into an at least partially permeable to microwave energy container with at least one microwave transmitter and an open microwave conductor connected to the microwave transmitter, which is located in the immediate vicinity of the container, characterized in that the open microwave conductor (1) at least at its both ends are provided with a microwave feed line (17, 18; 24, 25), 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Mikrowellenleiter (1) außer an seinen beiden Enden auch noch an mindestens einer zwischen den Enden liegenden Stelle mit je einer Mikrowellenzuleitung (18, 24) versehen ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the open microwave conductor (1) is provided in addition to its two ends and at least one point between the ends, each with a microwave feed line (18, 24). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Mikrowellenzuleitungen (17, 18; 25, 25) mit fester Phasenbeziehung an den mindestens einen Mikrowellensender (21, 22) ange­schlossen sind.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the at least two microwave feed lines (17, 18; 25, 25) are connected to the at least one microwave transmitter (21, 22) with a fixed phase relationship. 4.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenzuleitungen (17, 18; 24, 25) mit je einem eigenen Mikrowellensender (21, 22) verbunden sind.4.Device according to claim 1, characterized in that the microwave feed lines (17, 18; 24, 25) are each connected to its own microwave transmitter (21, 22). 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (11) in an sich bekannter Weise ein Fenster (7) aus einem mikrowellendurchlässigen Werkstoff besitzt, dessen Dicke der Beziehung
Figure imgb0002
 entspricht, wobei "λ" die Wellenlänge der Mikro­welle und "n" der Brechungsindex des Fenstermaterials für die Mikrowelle ist.5. The device according to claim 1, characterized in that the container (11) in a manner known per se has a window (7) made of a microwave-permeable material, the thickness of the relationship
Figure imgb0002
 corresponds, where "λ" is the wavelength of the microwave and "n" is the refractive index of the window material for the microwave. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Mikrowellenleiter (1) zugekehrte Ober­fläche des Fensters (7) einen Belag (9) aus einem Werkstoff mit einen kleineren Brechungsindex als dem des Fenstermaterials aufweist.6. The device according to claim 5, characterized in that the microwave conductor (1) facing surface of the window (7) has a covering (9) made of a material with a smaller refractive index than that of the window material. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenleiter (1a) symmetrisch V-förmig ausgebildet ist und im Scheitel des "V" einen kleineren Abstand vom Fenster (7) aufweist als an seinen Einspeisungsstellen (17, 18).7. The device according to claim 1, characterized in that the microwave conductor (1a) is symmetrically V-shaped and has a smaller distance from the window (7) in the apex of the "V" than at its feed points (17, 18).
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