EP0359336B1 - Vorrichtung zur Mikrowellenübertragung - Google Patents

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EP0359336B1
EP0359336B1 EP89202301A EP89202301A EP0359336B1 EP 0359336 B1 EP0359336 B1 EP 0359336B1 EP 89202301 A EP89202301 A EP 89202301A EP 89202301 A EP89202301 A EP 89202301A EP 0359336 B1 EP0359336 B1 EP 0359336B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
waveguide
arrangement
microwave
pumping stage
pressure
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP89202301A
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English (en)
French (fr)
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EP0359336A2 (de
EP0359336A3 (de
Inventor
Georg Dr. Gärtner
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.)
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
Philips Electronics NV
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Publication date
Application filed by Philips Patentverwaltung GmbH, Koninklijke Philips Electronics NV, Philips Electronics NV filed Critical Philips Patentverwaltung GmbH
Publication of EP0359336A2 publication Critical patent/EP0359336A2/de
Publication of EP0359336A3 publication Critical patent/EP0359336A3/de
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Publication of EP0359336B1 publication Critical patent/EP0359336B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/30—Auxiliary devices for compensation of, or protection against, temperature or moisture effects ; for improving power handling capability

Definitions

  • the invention relates to a waveguide for microwave transmission, the beginning of which is open to a room of high pressure and the end of which is open to a room of lower pressure.
  • the two spaces connected by the waveguide can contain different gas compositions.
  • DE-OS 36 22 614 discloses a process for the production of electrically conductive molded articles by reactive deposition from a gas phase which is activated by a microwave plasma.
  • high-power microwaves are coupled in via a gastightly insulating microwave window made of dielectric material into a microwave resonator serving as a reaction chamber, in which a plasma is formed and electrically conductive layers are deposited.
  • the microwave window arranged at the coupling point is usually covered with an electrically conductive layer on its surface facing the reaction chamber, ie on its inside, as a result of which the coupling is prevented.
  • this problem is solved either by flushing the inside of the microwave window with an inert gas or by choosing a dielectric material for the microwave window that is electrically conductive due to an etching reaction with one of the reactants Layer growth is kept free.
  • microwave powers of the order of 0.1 to 1 MW the thermal load on the known materials used for microwave windows becomes too great, as a result of which the output power is limited.
  • a maximum output of 0.3 MW one helps to widen the waveguide and the window, which e.g. consists of Al2O3, in addition to cooling.
  • means for maintaining a gas flow in the waveguide system are provided for ventilating a waveguide system, the gas flowing from the center of the waveguide system in opposite directions to both the beginning and the end of the waveguide system.
  • the invention has for its object to improve the microwave transmission between waveguide areas of different internal gas pressure and / or different filling gas composition.
  • the waveguide device has at least one low-radiation opening to which a pump is connected.
  • a pump stage is to be understood as a pump connection with a pump and pressure control, the pump always being outside the waveguide.
  • gas is pumped out at least at one point between the waveguide regions.
  • the pump stages can preferably be pressure-controlled, the flow resistances of the waveguide sections between the Pump stages, the suction power of the pumps and the pressure controls are dimensioned or adjustable in such a way that a predetermined pressure difference between the waveguide areas is generated and maintained - in other words: the suction power of the respective pump in the target pressure area is greater than or equal to the flow resistance of the waveguide section between the inlet or the pump stage with higher pressure and the pump-down point and the pressure control is set for the target pressure range at the pump-off point (at which there is also a pressure sensor or a manometer).
  • the respective pump stage is preferably in the immediate vicinity of the low-pressure side.
  • the waveguide guiding a particular microwave mode is provided with a slot or with slots at successive locations, the slot or slots having a very weak or negligible coupling-out of the microwave mode and the waveguide via the slot with the pump stage or is connected via the slots to successive pump stages with adapted pumping power.
  • This embodiment is based on the basic idea of differential pumping.
  • the waveguide is pumped out through the slots in successive pumping stages, so that the microwave is either guided from an area of high internal gas pressure (e.g. air under atmospheric pressure) to an area of low internal gas pressure (e.g. 10 hpa) in the waveguide or in the opposite direction from an area low is led into an area of high internal gas pressure.
  • an area of high internal gas pressure e.g. air under atmospheric pressure
  • an area of low internal gas pressure e.g. 10 hpa
  • the waveguide preferably has a rectangular cross section and is coiled several times.
  • the slots are preferably made in the waveguide side walls, namely in the narrow sides, and have the shape of vertical rectangles.
  • the distances between the slots are preferably integer multiples of half the waveguide wavelength.
  • resonance diaphragms are arranged in the waveguide.
  • a microwave window is arranged between the waveguide region connected to a microwave oscillator and the vacuum region generated by the (first) pump stage, the first pump stage being designed in such a way that it is able to generate such a low final pressure that no discharge is ignited.
  • a second pump stage is arranged between the first pump stage and a reaction chamber designed as a microwave resonator, in order to relieve the first pump stage and to remove gas from the reaction chamber.
  • the waveguide in the region of the first pump stage is filled with a gas with a high dielectric strength.
  • the pump stage consists of a double-walled resonance diaphragm, which is designed as a nozzle for a flat liquid jet of high speed.
  • the waveguide is filled with a purge gas, an extinguishing gas or reactive gases. This is explained in more detail below.
  • microwave transmission devices it is expedient to also provide at least one EH tuner and / or a pin transformer in the waveguide in order to carry out a phase or length adjustment and to tune for optimal power transmission.
  • the directional coupler areas lying between the waveguide areas each having short-circuit slides at the ends and one EH tuner each are provided to coordinate the transmission link. This is explained in more detail below.
  • a waveguide area with high pressure (e.g. air, 1000 hpa) is designated with a and a waveguide area with low pressure with b.
  • a microwave of the TE 10 type is guided either from a to b or from b to a in a multi-spiral curved rectangular waveguide line 1.
  • Pump nozzles 6, 7, 8, 9 are attached to the outside of these slots, via which the line in direction b is successively evacuated to a lower pressure using various vacuum pumps (not shown).
  • the pressure difference ⁇ p p a - p b to be set between a and b is determined by the suction power and the final pressure of the pumps, the number of pump stages, the spacing of the slots and the cross section of the respective waveguide type.
  • a large pressure difference is easier to achieve, for example, for the E-band (60 to 90 GHz) than for the X-band (8 to 12 GHz), because of the sharp reduction in cross-section of the E-band waveguide compared to the X-band Waveguide.
  • the device according to FIG. 1 is used for the microwave plasma-activated CVD of electrically conductive substances.
  • an X-band waveguide 1 is filled with air under p a ⁇ normal pressure and connected to an X-band microwave transmitter with a CW power of 300 W.
  • the spatial extent of this arrangement for the X-band is still quite compact with an outer diameter of approximately 37 cm and a height of approximately 30 cm.
  • Example 1 it is expedient to use a throttle valve or a pressure control in front of the pump to adjust p b in order to be able to adjust p b to the respective desired value.
  • another pump can be used for gas removal from the reaction chamber, which relieves the rotary vane pump at b.
  • a microwave coupling pressure lock according to FIG. 1 looks much cheaper for the E band (60 to 90 GHz). With a microwave transmission direction from b to a, it is also excellently suited for windowless coupling of microwaves of high power, for example 200 kW, from a 70 GHz gyrotron. Because of the already relatively small waveguide transverse dimensions, no resonance diaphragms are required in such an arrangement.
  • the arrangement shown in Fig. 3 relates to the use with a microwave plasma reactor.
  • the microwave transmission takes place through a Waveguide 1, which is sealed airtight at one point with a microwave window 11 made of dielectric material, for example glass, quartz, PTFE, against the vacuum side 12.
  • a working pressure of, for example, 10 hPa in the reaction chamber designed as a microwave resonator.
  • Another rotary vane pump pumps at two further opposite slots 4 and 5 at a distance L between the pump connection 13 and the coupling point into the reaction chamber (arrow 15) and serves both to relieve the pump at 13 and for gas disposal, ie for removal of the gaseous PCVD end products.
  • one or more resonance diaphragms 10 can be used in the (eg X-band) waveguide.
  • a gas prevents a plasma from forming in the waveguide in spite of the low gas pressure and thus almost no microwave power reaching the reaction chamber.
  • the microwaves are coupled into the reaction chamber via a coupling hole or via an antenna pin through a coupling hole.
  • the pump connection 13 is omitted and, for example, WF6 or SF6 is introduced at this point.
  • WF6 which serves for the tungsten deposition in the reaction chamber
  • the pump connection 14 and the slots 4 and 5 are also dispensed with, and the gas is disposed of at an outlet opening from the reaction chamber.
  • a further possibility is the use of one or more low-damping directional couplers with rectangular waveguides arranged in parallel, which are pumped or gas-purged separately and in which the coupling holes represent an additional flow resistance ("orifice plate").
  • an additional flow resistance orifice plate
  • a third embodiment of the invention is the jet microwave window.
  • Fig. 4 shows such an arrangement.
  • the microwaves (arrow 16) are radiated through a double-walled resonance aperture 17, which is designed as a nozzle 18 for a flat liquid jet (arrows 19 and 20) at high speed, again from an inner waveguide area of approximately atmospheric pressure into a low-pressure area.
  • nozzle jet microwave window is, inter alia, that no additional window cooling is required and that there is no longer any limitation at high microwave powers.
  • pumping action of the nozzle jet can also be exploited here, as is used, for example, in water jet pumps or in diffusion pumps. There is one Microwave transmission through a pump. In a further stage in the transition to high vacuum, a steam jet nozzle can then be used instead of a liquid jet nozzle.

Landscapes

  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Waveguide Connection Structure (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter zur Mikrowellenübertragung, dessen Anfang zu einem Raum hohen Drucks und dessen Ende zu einem Raum niedrigeren Drucks geöffnet ist. Dabei können die beiden durch den Hohlleiter verbundenen Räume verschiedene Gaszusammensetzungen enthalten.
  • Aus der DE-OS 36 22 614 ist ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Formkörpern durch eine reaktive Abscheidung aus einer Gasphase, die durch ein Mikrowellenplasma aktiviert wird, bekannt. Bei derartigen Verfahren erfolgt die Einkopplung von Mikrowellen hoher Leistung über ein gasdicht isolierendes Mikrowellenfenster aus dielektrischem Material in einen als Reaktionskammer dienenden Mikrowellenresonator, in dem sich ein Plasma ausbildet und elektrisch leitende Schichten abgeschieden werden. Dabei tritt das Problem auf, daß das an der Einkoppelstelle angeordnete Mikrowellenfenster an seiner der Reaktionskammer zugewandten Oberfläche, d.h. an seiner Innenseite, in der Regel mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen wird, wodurch die Einkopplung unterbunden wird. Dieses Problem wird gemäß der DE-OS 36 22 614 entweder dadurch gelöst, daß die Innenseite des Mikrowellenfensters durch ein Inertgas gespült wird, oder dadurch, daß für das Mikrowellenfenster ein dielektrisches Material gewählt wird, daß durch eine Ätzreaktion mit einem der Reaktionspartner von elektrisch leitendem Schichtbewuchs freigehalten wird.
  • Ein verwandtes Problem tritt bei der Auskopplung von Mikrowellen hoher Leistung aus Gyrotrons beim Übergang von Hochvakuum in Luft auf. Bei Mikrowellenleistungen in der Größenordnung von 0,1 bis 1 MW wird die thermische Belastung der bekannten für Mikrowellenfenster verwendeten Materialien zu groß, wodurch die Ausgangsleistung begrenzt wird. Man behilft sich bei Leistungen von höchstens 0,3 MW damit, den Hohlleiter aufzuweiten und das Fenster, das z.B. aus Al₂O₃ besteht, zusätzlich zu kühlen.
  • Ein Auspumpen eines Hohlleiters über nicht abstrahlende bzw. nicht koppelnde Schlitze ist aus der GB-PS 644 749 bekannt.
  • Bei der durch DE-B 10 31 383 bekannten Vorrichtung sind zum Ventilieren eines Wellenleitersystems Mittel zum Aufrechterhalten einer Gasströmung im Wellenleitersystem vorgesehen, wobei das Gas von der Mitte des Wellenleitersystems in entgegengesetzten Richtungen sowohl zum Anfang als auch zum Ende des Wellenleitersystems fließt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mikrowellenübertragung zwischen Hohlleiterbereichen verschiedenen Innengasdrucks und/oder unterschiedlicher Füllgaszusammensetzung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hohlleitervorrichtung mindestens eine strahlungsarme Öffnung aufweist, an welche eine Pumpe angeschlossen ist.
  • Unter einer Pumpstufe ist ein Pumpanschluß mit Pumpe und Druckregelung zu verstehen, wobei die Pumpe sich stets außerhalb des Hohlleiters befindet.
  • Beim Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zwischen den Hohlleiterbereichen an mindestens einer Stelle Gas abgepumpt.
  • Vorzugsweise sind die Pumpstufen druckregelbar, wobei die Strömungswiderstände der Hohlleiterstrecken zwischen den Pumpstufen, die Saugleistungen der Pumpen und die Druckregelungen derart dimensioniert bzw. einstellbar sind, daß eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen den Hohlleiterbereichen erzeugt und aufrechterhalten wird - mit anderen Worten: Die Saugleistung der jeweiligen Pumpe ist im Zieldruckbereich größer als der oder gleich dem Strömungswiderstand der Hohlleiterstrecke zwischen dem Eingang bzw. der Pumpstufe mit höherem Druck und der Abpumpstelle und die Druckregelung ist für den Zieldruckbereich an der Abpumpstelle (an welcher sich auch ein Drucksensor oder ein Manometer befindet) eingestellt.
  • Vorzugsweise befindet die jeweilige Pumpstufe sich in nächster Nachbarschaft der Niederdruckseite.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der einen bestimmten Mikrowellenmode führende Hohlleiter mit einem Schlitz oder an aufeinanderfolgenden Stellen mit Schlitzen versehen, wobei der Schlitz oder die Schlitze eine sehr schwache oder vernachlässigbare Auskopplung des Mikrowellenmodes aufweisen und wobei der Hohlleiter über den Schlitz mit der Pumpstufe oder über die Schlitze mit aufeinanderfolgenden Pumpstufen mit angepaßter Pumpleistung verbunden ist.
  • Diese Ausführungsform beruht auf dem Grundgedanken des differentiellen Pumpens. Dabei wird der Hohlleiter über die Schlitze in aufeinanderfolgenden Pumpstufen ausgepumpt, so daß die Mikrowelle entweder aus einem Bereich hohen Innengasdrucks (z.B. Luft unter Atmosphärendruck) in einen Bereich niedrigen Innengasdrucks (z.B. 10 hpa) im Hohlleiter geführt wird oder in umgekehrter Richtung aus einem Bereich niedrigen in einen Bereich hohen Innengasdrucks geführt wird.
  • Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist der Hohlleiter vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf und ist mehrfach gewendelt.
  • Die Schlitze sind vorzugsweise in den Hohlleiterseitenwänden, und zwar in den Schmalseiten, angebracht und haben die Form vertikaler Rechtecke.
  • Die Abstände zwischen den Schlitzen betragen vorzugsweise ganzzahlige Vielfache der halben Hohlleiterwellenlänge.
  • Ferner ist es von Vorteil, insbesondere für niedrigere Mikrowellenfrequenzen, z.B. für Frequenzen unterhalb 40 GHz, daß im Hohlleiter Resonanzblenden angeordnet sind.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die sich auf die Anwendung im Zusammenhang mit einem Mikrowellenplasma-Reaktor z.B. gemäß DE-OS 36 22 614 bezieht, ist zwischen dem an einen Mikrowellenoszillator angeschlossenen Hohlleiterbereich und dem von der (ersten) Pumpstufe erzeugten Unterdruckbereich ein Mikrowellenfenster angeordnet, wobei die erste Pumpstufe derart ausgelegt ist, daß sie imstande ist, einen so niedrigen Enddruck zu erzeugen, daß keine Entladung gezündet wird.
  • Dabei wird bevorzugt, daß zwischen der ersten Pumpstufe und einer als Mikrowellenresonator ausgebildeten Reaktionskammer eine zweite Pumpstufe zur Entlastung der ersten Pumpstufe und zur Gasentsorgung der Reaktionskammer angeordnet ist.
  • Ferner ist es vorteilhaft, zwischen der ersten Pumpstufe und der zweiten Pumpstufe mindestens eine Resonanzblende anzuordnen.
  • Bei einer Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlleiter im Bereich der ersten Pumpstufe mit einem Gas mit hoher Durchschlagsfestigkeit gefüllt.
  • Bei einer Abwandlung der Erfindung besteht die Pumpstufe aus einer doppelwandigen Resonanzblende, die als Düse für einen flächenhaften Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit ausgebildet ist.
  • Bei einer weiteren Abwandlung der Erfindung ist der Hohlleiter mit einem Spülgas, einem Löschgas oder reaktiven Gasen gefüllt. Dies wird weiter unten näher erläutert.
  • Bei allen obengenannten erfindungsgemäßen Mikrowellenübertragungsvorrichtungen ist es zweckmäßig, außerdem mindestens einen EH-Tuner und/oder einen Stifttransformator im Hohlleiter vorzusehen, um eine Phasen- bzw. Längenanpassung vorzunehmen und auf optimale Leistungsübertragung abzustimmen.
  • Ferner ist es zweckmäßig, daß zwischen den Hohlleiterbereichen mehrere aneinandergesetzte Richtkoppler geringer Dämpfung angeordnet sind, die mit jeweils einer Pumpe zur Einstellung eines bestimmten vorgegebenen Drucks verbunden sind, wobei die zwischen den Hohlleiterbereichen liegenden Richtkopplerbereiche jeweils mit Kurzschlußschiebern an den Enden und je einem EH-Tuner zur Abstimmung der Übertragungsstrecke versehen sind. Dies wird weiter unten näher erläutert.
  • Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in einer Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen in perspektivischer Darstellung
    • Fig. 1
    eine Vorrichtung zur Mikrowellenübertragung mit mehrfach gewendeltem Hohlleiter,
    Fig. 2
    eine Resonanzblende,
    Fig. 3
    eine Vorrichtung zur Mikrowellenübertragung mit einem Mikrowellenfenster und Pumpansätzen und
    Fig. 4
    ein Düsenstrahl-Mikrowellenfenster.
  • In Fig. 1 ist ein Hohlleiterbereich mit hohem Druck (z.B. Luft, 1000 hpa) mit a und ein Hohlleiterbereich mit niedrigem Druck mit b bezeichnet.
  • Eine Mikrowelle des Typs TE₁₀ wird je nach Anwendung entweder von a nach b oder von b nach a in einer mehrfach gewendelten gekrümmten Rechteck-Hohlleiterleitung 1 geführt. In Abständen di von ganzzahligen Vielfachen pi der halben Hohlleiterwellenlänge Λ, wobei also di = pi.Λ/2 (mit pi = 1,2 usw.) sind in den Hohlleiterseitenwänden, und zwar in den Schmalseiten, vertikale Rechteckschlitze 2, 3, 4, 5 angebracht, die sich durch eine sehr geringe Auskopplung des TE₁₀-Modes auszeichnen, also nur eine relativ geringe Dämpfung dieses Wellentyps bewirken. Auf der Außenseite dieser Schlitze sind Pumpstutzen 6, 7, 8, 9 angebracht, über die mit verschiedenen Vakuumpumpen (nicht dargestellt) die Leitung in Richtung b sukzessive auf niedrigeren Druck evakuiert wird.
  • Die einzustellende Druckdifferenz Δp = pa - pb zwischen a und b wird bestimmt durch die Saugleistung und den Enddruck der Pumpen, von der Anzahl der Pumpstufen, dem Abstand der Schlitze und dem Querschnitt des jeweiligen Hohlleitertyps. Eine große Druckdifferenz ist z.B. für das E-Band (60 bis 90 GHz) einfacher zu erreichen als für das X-Band (8 bis 12 GHz), und zwar wegen der starken Querschnittsverringerung des E-Band-Hohlleiters im Vergleich zum X-Band-Hohlleiter.
  • Im folgenden Beispiel wird die Vorrichtung nach Fig. 1 für die Mikrowellenplasma-aktivierte CVD von elektrisch leitenden Substanzen verwendet.
    • Beispiel 1
  • Im Bereich a ist ein X-Band-Hohlleiter 1 mit Luft unter pa ≲ Normaldruck gefüllt und an einen X-Band-Mikrowellensender der CW-Leistung 300 W angeschlossen. Die Schlitze 2 bis 4 sind in diesem Beispiel nicht vorgesehen und es wird über nur eine Drehschieberpumpe mit der Saugleistung Sp = 580 m³/h kurz vor a gepumpt (Schlitz 5), da der Druckabfall im wesentlichen durch den Strömungswiderstand (für Luft) des Hohlleiters bestimmt wird. Nach A. Roth "Vacuum technology" S. 75/76 ist der Strömungswiderstand 1/C für Luft in einem rechteckigen Rohr der Länge L und mit der Querschnittsfläche A.B (für laminare Strömung) gegeben durch C = 260 . Y . (A²B²/L) . (p a + p b )/2
    Figure imgb0001
       wobei Y = 0,82 für A = 2 B   (A und B siehe Fig. 2)
    und [C] = 1/sec, [A] = [B] = [L] = cm, pa = Torr = 1,33 hPa gelten. Die Druckdifferenz pa - pb zwischen Rohranfang und Rohrende kann nun aus der Durchflußleistung Q und dem Strömungs-Leitwert C bestimmt werden: p a - p b = Q/C = p b .S p /[C o (p a +p b )] wobei C = C o (p a +p b )
    Figure imgb0002
  • Die Auflösung von (2) nach pb ergibt p b = p a 2 + (S p /2 C o ) ² - S p /2 C o
    Figure imgb0003
    Setzt man in (3) pa = 760 Torr = 1013 hPa, Sp = 580 m³/h, A = 2,29 cm, B = 1,02 cm und L ≈ 2600 cm ein, so erhält man pa - pb = 375 Torr = 500 hpa.
  • Die Verdopplung auf pa - pb = 750 Torr = 1000 hPa wird durch den Einbau von Resonanzblenden (siehe Fig. 2) in den Rechteckhohlleiter im Abstand n.Λ/2 erreicht, die abgestimmt auf 10 GHz diese Frequenz ungedämpft übertragen und zugleich den Strömungswiderstand wie gewünscht erhöhen.
  • Dazu genügt etwa jeweils eine Resonanzblende im Abstand von 28Λ (Λ = 3,97 cm für TE₀₁ und ν o = 10 GHz) oder etwa alle 110 cm längs der Wendel (also einmal pro Windung mit etwa 35 cm Mittendurchmesser), insgesamt also 24 Stück. Die räumliche Ausdehnung dieser Anordnung für das X-Band ist mit etwa 37 cm Außendurchmesser und etwa 30 cm Höhe noch ziemlich kompakt.
  • Die Abschätzung der Dämpfung für einen Rechteckhohlleiter mit Kupfer-Innenwänden ergibt bei νo = 10 GHz und L = 26 m einen Wert von 26 m . 0,026 dB/m = 0,676 dB, beträgt also weniger als 20 %.
  • Fig. 2 zeigt eine solche Resonanzblende 10 für 10 GHz im X-Band. Es gilt A′ = 1,4 cm und B′ = 0,28 cm. Der Strömungsleitwert einer solchen Blende kann aus den in A. Roth, S. 70, angegebenen Formeln für laminare Strömung bestimmt werden.
  • Ferner ist es bei der in Beispiel 1 verwendeten Anordnung zweckmäßig, vor der Pumpe noch ein Drosselventil bzw. eine Druckregelung zur Einstellung von pb einzusetzen, um pb auf den jeweiligen Sollwert einstellen zu können. Außerdem kann eine weitere Pumpe zur Gasentsorgung aus der Reaktionskammer eingesetzt werden, die die Drehschieberpumpe bei b entlastet. Schließlich ist es wegen des quadratischen Zusammenhangs in (3) auch für die in Beispiel 1 verwendete Anordnung günstiger, in etwa 2 m L-Abstand von der ersten Pumpstufe eine zweite Pumpstufe vorzusehen.
    • Beispiel 2
  • Wesentlich günstiger sieht eine Mikrowelleneinkopplungs-Druckschleuse nach Fig. 1 für das E-Band (60 bis 90 GHz) aus. Sie eignet sich bei einer Mikrowellenübertragungsrichtung von b nach a auch vorzüglich zur fensterlosen Auskopplung von Mikrowellen hoher Leistung, z.B. 200 kW, aus einem 70 GHz-Gyrotron. Wegen der schon relativ kleinen erforderlichen Hohlleiterquerabmessungen sind in einer solchen Anordnung keine Resonanzblenden erforderlich. Bis zur 1. Pumpstufe (Pumpstutzen 6) mit einer Drehschieberpumpe der Saugleistung Sp (1) = 580 m³/h, wobei zwei Pumpschlitze 2 im Abstand L₁ = 20 m vom "Eingang" a der Rechteckhohlleiterwendel auf beiden Schmalseiten angeordnet sind, bleibt der E-Band-Wendelhohlleiter schlitzfrei. Aus (3) folgt, mit A = 0,31 cm = 28, dann p₁ = 38 Torr = 50,5 hPa. Eine weitere Drehschieberpumpe (Pumpstutzen 7) im Abstand 1,5 m von den Pumpschlitzen 2 mit der Saugleistung Sp (2) = 76 m³/h ergibt dann am Ausgang b einen Druck von etwa 10 Torr = 1,33 hPa. Diese zweite Pumpstufe ist wegen der quadratischen Abhängigkeit in (3) erforderlich und bewirkt eine wesentlich geringere Gesamtlänge L als nur bei einer Pumpstufe allein.
  • Die Leistungsdämpfung der E-Band-Welle mit νo = 70 GHz beträgt damit 0,027 dB/m . 21,5 m = 0,58 dB oder etwa 13 %.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung bezieht sich auf die Anwendung mit einem Mikrowellenplasma-Reaktor. Hierbei erfolgt die Mikrowellenübertragung durch einen Hohlleiter 1, der an einer Stelle mit einem Mikrowellenfenster 11 aus dielektrischem Material, z.B. Glas, Quarz, PTFE, gegen die Unterdruckseite 12 luftdicht abgeschlossen ist. Die Unterdruckseite wird über zwei Schlitze 2 und 3 in den Schmalseiten des Hohlleiters auf einen so niedrigen Enddruck, z.B. 10⁻⁴ Torr = 10⁻² hPa, evakuiert (Pumpanschluß 13), daß auch bei hohen Mikrowellenleistungsdichten keine Mikrowellengasentladung gezündet wird und das Fenster immer freibleibt. Im weiteren Verlauf des Hohlleiters erfolgt wiederum ein Druckanstieg bis zu einem Arbeitsdruck von z.B. 10 hPa in der als Mikrowellenresonator ausgebildeten Reaktionskammer. Eine weitere Drehschieberpumpe (Pumpanschluß 14) pumpt an zwei weiteren gegenüberliegenden Schlitzen 4 und 5 im Abstand L zwischen dem Pumpanschluß 13 und der Einkopplungsstelle in die Reaktionskammer (Pfeil 15) und dient sowohl zur Entlastung der Pumpe bei 13 als auch zur Gasentsorgung, d.h. zur Entfernung der gasförmigen PCVD-Endprodukte. Zur besseren Entkopplung der beiden Pumpbereiche können in den (z.B. X-Band-) Hohlleiter eine oder mehrere Resonanzblenden 10 eingesetzt werden.
  • Eine Abwandlung dieser Ausführungsform erhält man dadurch, daß der Vakuumbereich im Hohlleiter zwischen dem Fenster 11 und den Pumpanschlüssen 13 bzw. 14 mit einem Gas mit hoher Durchschlagsfestigkeit, d.h. mit einem Löschgas, z.B. SF₆, gefüllt wird und ein Druck von etwa 10 Torr = 13,3 hPa am Fenster und in der Reaktionskammer ebenfalls über die Pumpanschlüsse 13 und 14 hergestellt wird, wobei wiederum durch eine Reihe von Resonanzblenden zwischen den Pumpanschlüssen 13 und 14 sichergestellt wird, daß keine Vermischung der reaktiven Gase mit dem Gas hoher Durchschlagsfestigkeit in der Reaktionskammer stattfindet. Durch ein derartiges Gas wird verhindert, daß sich trotz des niedrigen Gasdrucks schon im Hohlleiter ein Plasma ausbildet und damit fast keine Mikrowellenleistung mehr in die Reaktionskammer gelangt.
  • Im Falle einer Mehrkomponenten-PCVD-Abscheidung von metallischen Schichten, wobei z.B. auch Wolfram aus WF₆ + H₂ abgeschieden wird, ergibt sich eine noch elegantere Lösung: Statt SF₆ wird WF₆ auf dem Wege durch die Mikrowellenzuführung in die Reaktionskammer eingeleitet, da WF₆ ebenfalls eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist.
  • Erst in der Reaktionskammer werden dann Wasserstoff und Argon und gegebenenfalls weitere gasförmige Komponenten beigemischt, wobei Argon dafür sorgt, daß die Durchschlagsspannung heruntergesetzt wird und sich ein Mikrowellenplasma bei nicht allzu hohen Mikrowellenleistungen zwar nicht im Hohlleiter, aber in der Reaktionskammer, d.h. im Hohlraumresonator, ausbildet.
  • Zur Reaktionskammer erfolgt die Einkopplung der Mikrowellen je nach Wellentyp über ein Koppelloch oder über einen Antennenstift durch ein Koppelloch. Mit 16 ist die Einkopplung vom Mikrowellenoszillator (z.B. Klystron, RWO = Rückwärtswellenoszillator = Karzinotron, Gyrotron) bezeichnet.
  • Im Falle dieser Abwandlung entfällt der Pumpanschluß 13 und es wird an eben dieser Stelle z.B. WF₆ oder SF₆ eingeleitet. Bei der Zuführung von SF₆ wird durch den Pumpanschluß 14 weiter gepumpt, und es befinden sich nach den Schlitzen 4 und 5 in Richtung des Pfeils 15 weitere Resonanzblenden im Rechteckhohlleiter. Bei der Einleitung von WF₆, das in der Reaktionskammer zur Wolfram-Abscheidung dient, entfallen auch der Pumpanschluß 14 sowie die Schlitze 4 und 5, und es erfolgt die Gasentsorgung an einer Austrittsöffnung aus der Reaktionskammer.
  • Eine weitere Möglichkeit ist die Anwendung eines oder mehrerer niedrig dämpfender Richtkoppler mit parallel angeordneten Rechteckhohlleitern, die getrennt gepumpt oder gasgespült werden und bei denen die Koppellöcher einen zusätzlichen Strömungswiderstand ("Blenden") darstellen. Allerdings ist eine solche Anordnung nur bei nicht allzu großen Druckdifferenzen wirksam.
  • Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist das Düsenstrahl-Mikrowellenfenster. Fig. 4 zeigt eine solche Anordnung. Hierbei werden die Mikrowellen (Pfeil 16) durch eine doppelwandige Resonanzblende 17, die als Düse 18 für einen flächenhaften Flüssigkeitsstrahl (Pfeile 19 und 20) hoher Geschwindigkeit ausgebildet ist, hindurchgestrahlt, und zwar wiederum aus einem Hohlleiterinnenbereich von etwa Atmosphärendruck in einen Niedrigdruckbereich.
  • Der Vorteil eines solchen Düsenstrahl-Mikrowellenfensters ist u.a., daß keine zusätzliche Fensterkühlung erforderlich ist und bei hohen Mikrowellenleistungen auch keine Limitierung mehr darstellt. Außerdem kann hier zusätzlich die Pumpwirkung des Düsenstrahls ausgenutzt werden, wie sie z.B. in Wasserstrahlpumpen oder in Diffusionspumpen ausgenutzt wird. Es erfolgt eine Mikrowellenübertragung durch eine Pumpe hindurch. In einer weiteren Stufe beim Übergang zum Hochvakuum kann dann statt einer Flüssigkeitsstrahldüse eine Dampfstrahldüse benutzt werden.

Claims (16)

  1. Hohlleitervorrichtung zur Mikrowellenübertragung, dessen Anfang zu einem Raum hohen Drucks und dessen Ende zu einem Raum niedrigen Drucks geöffnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleitervorrichtung mindestens eine strahlungsarme Öffnung aufweist, an welche eine Pumpe angeschlossen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstufen (6, 7, 8, 9) druckregelbar sind, wobei die Strömungswiderstände der Hohlleiterstrecken zwischen den Pumpstufen, die Saugleistungen der Pumpen und die Druckregelungen derart dimensioniert bzw. einstellbar sind, daß eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen den Hohlleiterbereichen (a, b) erzeugt und aufrechterhalten wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Pumpstufe (6, 7, 8, 9) sich in nächster Nachbarschaft der Niederdruckseite befindet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der einen bestimmten Mikrowellenmode führende Hohlleiter (1) mit einem Schlitz oder an aufeinanderfolgenden Stellen mit
    Schlitzen (2, 3, 4, 5) versehen ist, wobei der Schlitz oder die Schlitze eine sehr schwache oder vernachlässigbare Auskopplung des Mikrowellenmodes aufweisen und wobei der Hohlleiter über den Schlitz mit der Pumpstufe oder über die Schlitze mit aufeinanderfolgenden Pumpstufen (6, 7, 8, 9) mit angepaßter Pumpleistung verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (1) einen rechteckigen Querschnitt aufweist und mehrfach gewendelt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (2, 3, 4, 5) in den Hohlleiterseitenwänden, und zwar in den Schmalseiten, angebracht sind und die Form vertikaler Rechtecke haben.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Schlitzen (2, 3, 4, 5) ganzzahlige Vielfache der halben Hohlleiterwellenlänge betragen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlleiter (i) Resonanzblenden (10) angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem an einen Mikrowellenoszillator angeschlossenen Hohlleiterbereich (16) und dem von der (ersten) Pumpstufe (13) erzeugten Unterdruckbereich (12) ein Mikrowellenfenster (11) angeordnet ist, wobei die erste Pumpstufe derart ausgelegt ist, daß sie imstande ist, einen so niedrigen Enddruck zu erzeugen, daß keine Entladung gezündet wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Pumpstufe (13) und einer als Mikrowellenresonator ausgebildeten Reaktionskammer eine zweite Pumpstufe (14) zur Entlastung der ersten Pumpstufe und zur Gasentsorgung der Reaktionskammer angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Pumpstufe (13) und der zweiten Pumpstufe (14) mindestens eine Resonanzblende (10) angeordnet ist.
  12. Abwandlung der Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (1) im Bereich der ersten Pumpstufe (13) mit einem Gas mit hoher Durchschlagsfestigkeit gefüllt ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstufe aus einer doppelwandigen Resonanzblende (17) besteht, die als Düse für einen flächenhaften Flüssigkeitsstrahl (19, 20) hoher Geschwindigkeit ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und/oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (1) mit einem Spülgas, einem Löschgas oder reaktiven Gasen gefüllt ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlleiter (1) mindestens ein EH-Tuner und/oder ein Stifttransformator vorgesehen sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hohlleiterbereichen (a, b) mehrere aneinandergesetzte Richtkoppler geringer Dämpfung angeordnet sind, die mit jeweils einer Pumpe zur Einstellung eines bestimmten vorgegebenen Drucks verbunden sind, wobei die zwischen den Hohlleiterbereichen (a, b) liegenden Richtkopplerbereiche jeweils mit Kurzschlußschiebern an den Enden und je einem EH-Tuner zur Abstimmung der Übertragungsstrecke versehen sind.
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