WO1995027998A1 - Plasma-generating device - Google Patents

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plasma device
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Jeng-Ming Wu
Norbert SÜSSMUTH
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Wu Jeng Ming
Suessmuth Norbert
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the invention relates to a plasma device with a plasma chamber in which a plasma can be generated by introducing electromagnetic energy.
  • Plasma devices are used, for example, for processing objects and materials, as ion beam sources or the like. It is known on an industrial scale to remove acetylene
  • Known plasma generators use the formation of an arc between two electrodes to produce the plasma, it being possible for magnetic field coils to influence the plasma formation. Also known is the electrodeless formation of a plasma inductively with high-frequency electromagnetic waves. With this method, a reasonably uniform formation of the plasma can be achieved in a small space, for example in a discharge tube.
  • the known plasma generators require considerable effort, which in many cases prevents the processing of objects and materials with the plasma for reasons of cost. Furthermore, it is not possible with the known plasma generators to achieve a reasonably uniform formation of the plasma in larger plasma chambers.
  • a rectangular waveguide with a high-frequency generator for generating high-frequency energy in the waveguide and with a side window for coupling out high-frequency energy
  • the distribution of the radio frequency energy transmitted through the partition into the plasma chamber being able to be influenced by a metal sheet provided with through-openings in the partition and / or by an adapted geometry of the transmission space.
  • the excitation energy for the plasma is generated by a high-frequency generator in a rectangular waveguide.
  • the radio-frequency energy preferably microwave energy
  • the transmission space extends parallel to the plasma chamber, so that the partition between the plasma chamber and the transmission space forms a large side wall for both.
  • the plasma chamber and transmission space are preferably of approximately the same length and the same width.
  • Radio frequency energy can be distributed over the width and length of the plasma chamber by a suitable distribution of the Through openings are controlled so that an uneven distribution of energy can be compensated.
  • the transmission space has an adapted geometry.
  • This geometry can be predefined.
  • the geometry of the transmission space is expediently adjustable, preferably by virtue of the fact that the wall of the transmission space opposite the partition can be displaced and / or its inclination can be adjusted relative to the partition.
  • the inclination of this wall over the width of the transmission chamber is designed such that the distance between the adjustable wall and the partition wall becomes smaller as the distance from the window increases, in order to compensate for an uneven energy distribution due to the differently long propagation paths.
  • the plasma chamber and the transfer space are essentially designed as rectangular spaces, apart from the possible inclination of the adjustable wall of the transfer space relative to the partition.
  • the partition preferably has a dielectric wall which delimits the plasma chamber, so that the plasma has no direct contact with the metallic sheet. Direct contact of the plasma with the metal sheet would release metal molecules which would contaminate the plasma.
  • the window between the waveguide and the transmission space can be formed with an effective opening area increasing with increasing distance from the high-frequency generator over the length of the waveguide, so as to enable uniform lateral energy decoupling regardless of the distance from the high-frequency generator.
  • the window can enlarge continuously in a wedge-shaped or discontinuous step-like manner, or can also have a plurality of through openings lined up with an increasing opening area.
  • the size of the plasma chamber can be changed with at least one movable, electrically conductive wall, which is particularly suitable for processing objects of different sizes.
  • the movable wall is preferably opposite the partition and can be designed as a lifting table.
  • the wall opposite the partition wall can be equipped with a large number of permanent magnets in a manner known per se.
  • the wall can alternatively be formed from at least one grid, so that the plasma chamber functions as an ion source.
  • the high-frequency generator operate in the pulse mode, the pulse frequency of the high-frequency generator being adjustable in order to enable simple power adjustment for the excitation energy of the plasma.
  • FIG. 1 - a section through a first embodiment of a plasma device according to the invention
  • Figure 3 - a side view of the device of Figure 2 with a different embodiment of the window
  • Figure 4 a side view according to Figure 3 with a further modification of the window
  • Figure 5 - a plan view of an embodiment of a metallic sheet between the transmission space and plasma chamber
  • Figure 6 - a plan view of another embodiment of the metallic sheet
  • FIG. 7 - a representation according to Figure 1 with an arrangement of permanent magnets on a wall of the plasma chamber
  • Figure 8 - a schematic representation of the arrangement of the permanent magnets according to Figure 7
  • FIG. 9 shows a representation according to FIG. 1 with the formation of a wall of the plasma chamber as a sieve to form an ion source.
  • Figure 1 shows a rectangular waveguide 1, which is delimited by metallic walls.
  • a window 2 In the longitudinal direction of the small side wall of the waveguide there is a window 2 through which a connection between the interior of the waveguide 1 and the interior of a cubic metallic housing 3 is established.
  • a transmission space 4 is formed which adjoins the interior of the waveguide 1 via the window 2 and is separated from a plasma chamber 6 by a partition wall 5 rotated through 90 ° to the plane of the window 2.
  • the partition 5 consists of a metal sheet 7 and a dielectric wall 8, which can be formed, for example, by an Al 2 O 3 ceramic or a quartz plate.
  • the transmission chamber 4 is delimited by a displaceable and adjustable metallic wall 9.
  • the metallic wall 9 is provided with four Adjusting rods 10 are connected, with which the metallic wall 9 can be adjusted both in terms of its distance and in terms of its inclination to the partition 5.
  • the plasma chamber 6 is delimited on the side opposite the partition by a metallic wall 11, which is designed to be displaceable parallel to the partition 5 and thus forms a lifting table 11 a.
  • the transmission space 4 is delimited by the walls of the cubic housing 3.
  • the plasma chamber 6, apart from the partition 5 and the metallic wall 11, is likewise delimited by the metallic walls of the cubic metallic housing 3.
  • FIG. 2 shows that a high-frequency generator 12 is arranged in the rectangular waveguide 1, the high-frequency energy which is emitted is laterally coupled out of the waveguide 1 via the window 2. Since the radio frequency energy of the
  • High-frequency generator 12 decreases at a distance from the high-frequency generator 12, in the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the window 2 is widened in a wedge-shaped manner with increasing distance from the high-frequency generator 12, so that the greater the coupling of the high-frequency energy into the transmission space with increasing distance 4 to ensure.
  • the same effect is achieved by a stepwise widening of the window 2' with increasing distance from the high-frequency generator 12.
  • the window 2 ′′ serves to deliberately unevenly couple high-frequency energy into the transmission space 4, as a result of which, for example, a targeted weakening of the plasma can be carried out over the length of the arrangement.
  • the window ster 2 '' widens with increasing distance from the high-frequency generator 12 up to the middle of the length of the housing 3 in order to then narrow again symmetrically.
  • the high-frequency energy coupled out into the transmission space 4 enters the plasma chamber 6 through the partition 5 in order to ignite the plasma there.
  • the excitation energy is evened out with regard to the energy distribution by a suitable adjustment of the inclination of the adjustable metallic wall 9 with the aid of the adjusting rods 10.
  • the intensity of the energy introduced into the plasma chamber 6 can also be influenced by adjusting the wall 9.
  • the spatial distribution of the high-frequency energy introduced into the plasma chamber 6 is further influenced by the metal sheet 7, which for this purpose can be provided with systematically distributed through openings 13.
  • the through openings 13 are designed as circular openings 14, the openings 14 lying closer to the window 2 having a smaller diameter than the openings 14 which are respectively more distant. In this way, an uneven energy distribution can also be achieved due to the different long propagation paths.
  • the spatial distribution of the excitation energy for the plasma introduced into the plasma chamber can therefore be influenced in several ways, namely in the plasma device according to the invention
  • the high-frequency generator 12 is operated in pulse mode and its pulse frequency can be varied. In this way it is possible, for example, to provide only the lower excitation energy required for a plasma chamber 6 that is reduced in size by the lifting table 11 a.
  • FIGS. 7 and 8 show that the adjustable wall 11 of the plasma chamber can be provided with a multiplicity of permanent magnets 16, by means of which the ion density in the plasma chamber 6 can be increased and the ignition process can be facilitated in particular at low pressure in the plasma chamber 6 .
  • FIG. 8 shows a suitable distribution of the permanent magnets 16 on the underside of the wall 11.
  • the wall 11 'of the plasma chamber 6 from grid consists * walls and allows the passage of ions, so that the plasma chamber 6 acts asforementioned ⁇ area ion source.

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Abstract

Described is a plasma-generating device with a chamber (6) into which electromagnetic energy is passed to generate a plasma. In order to produced a simple design suitable for the production of a controlled plasma distribution, the device is characterized by: a rectangular waveguide (1) with a high-frequency generator (12) for the generation of high-frequency radiation in the waveguide and with a side window (2, 2', 2'') for outputting high-frequency radiation; a transfer space (4) attached to the side of the waveguide (1) and linking up with the waveguide by means of the window (2, 2', 2''), the transfer space running parallel to the plasma-generation chamber (6); a separating wall (5) between the transfer space (4) and the plasma-generation chamber (6); whereby the distribution of the high-frequency radiation transferred through the separating wall (5) into the plasma-generation chamber (6) can be varied by means of a metal plate (7) with apertures (13) fitted in the separating wall (5) and/or by suitable dimensioning of the transfer space (4).

Description

PlasmagerätPlasma device
Die Erfindung betrifft ein Plasmagerät mit einer Plasmakammer, in der durch Einleitung elektromagnetischer Energie ein Plasma erzeugbar ist. Plasmageräte dienen beispielsweise zur Bearbei¬ tung von Gegenständen und Materialien, als Ionenstrahlquelle o.a.. Im industriellen Maßstab ist es bekannt, Acetylen ausThe invention relates to a plasma device with a plasma chamber in which a plasma can be generated by introducing electromagnetic energy. Plasma devices are used, for example, for processing objects and materials, as ion beam sources or the like. It is known on an industrial scale to remove acetylene
Kohlenwasserstoffen im Plasma herzustellen. Bekannt ist ferner die Herstellung von Reduktionsgasen, beispielsweise zur Reduk¬ tion von Eisenerzen. Mit Plasmen werden ferner metallische und keramische Puder hergestellt, die dann ferner zur Plasmabe- Schichtung von Gegenständen geeignet sind. Die Oberflächenbe¬ arbeitung von Gegenständen im Plasma kann ferner in Form einer thermischen Härtung durchgeführt werden.To produce hydrocarbons in plasma. The production of reducing gases is also known, for example for the reduction of iron ores. Metallic and ceramic powders are also produced with plasmas and are then also suitable for the plasma coating of objects. The surface treatment of objects in the plasma can also be carried out in the form of thermal curing.
Bekannte Plasmageneratoren benutzen die Ausbildung eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden zur Herstellung des Plas¬ mas, wobei mit Magnetfeldspulen die Plasmaausbildung beein¬ flußt werden kann. Bekannt ist ferner die elektrodenlose Aus¬ bildung eines Plasmas induktiv mit hochfrequenten elektro¬ magnetischen Wellen. Mit dieser Methode ist eine halbwegs gleichmäßige Ausbildung des Plasmas in einem kleinen Raum, beispielsweise in einer Entladungsröhre, erreichbar.Known plasma generators use the formation of an arc between two electrodes to produce the plasma, it being possible for magnetic field coils to influence the plasma formation. Also known is the electrodeless formation of a plasma inductively with high-frequency electromagnetic waves. With this method, a reasonably uniform formation of the plasma can be achieved in a small space, for example in a discharge tube.
Die bekannten Plasmageneratoren erfordern einen erheblichen Aufwand, was einer Bearbeitung von Gegenständen und Materia- lien mit dem Plasma in vielen Fällen aus Kostengründen ent¬ gegensteht. Ferner gelingt es mit den bekannten Plasmagenera¬ toren nicht, in größeren Plasmakammern eine einigermaßen gleichmäßige Ausbildung des Plasmas zu erreichen.The known plasma generators require considerable effort, which in many cases prevents the processing of objects and materials with the plasma for reasons of cost. Furthermore, it is not possible with the known plasma generators to achieve a reasonably uniform formation of the plasma in larger plasma chambers.
Das Problem, in einer Plasmakammer mit einem einfachen Aufbau ein leistungsfähiges und relativ gleichmäßiges Plasma zu er- zeugen, wird erfindungsgemäß mit einem Plasmagerät der ein¬ gangs erwähnten Art gelöst, das gekennzeichnet ist durchThe problem of creating a powerful and relatively uniform plasma in a plasma chamber with a simple structure witness, is solved according to the invention with a plasma device of the type mentioned above, which is characterized by
einen rechteckigen Hohlleiter mit einem Hochfrequenzgene- rator zur Erzeugung von Hochfrequenzenergie in dem Hohl¬ leiter und mit einem seitlichen Fenster zur Auskopplung von Hochfrequenzenergie,a rectangular waveguide with a high-frequency generator for generating high-frequency energy in the waveguide and with a side window for coupling out high-frequency energy,
einen seitlich an den Hohlleiter anschließenden und mit diesem über das Fenster verbundenen Übertragungsraum, der sich parallel zur Plasmakammer erstreckt unda laterally adjoining the waveguide and connected to it via the window, which extends parallel to the plasma chamber and
eine Trennwand zwischen dem Übertragungsraum und der Plasmakammer,a partition between the transmission space and the plasma chamber,
wobei die Verteilung der durch die Trennwand in die Plas¬ makammer übertragenen Hochfrequenzenergie durch ein mit Durchgangsöffnungen versehenes metallisches Blech in der Trennwand und/oder eine angepaßte Geometrie des Übertra- gungsraumes beeinflußbar ist.the distribution of the radio frequency energy transmitted through the partition into the plasma chamber being able to be influenced by a metal sheet provided with through-openings in the partition and / or by an adapted geometry of the transmission space.
Erfindungsgemäß wird die Anregungsenergie für das Plasma durch einen Hochfrequenzgenerator in einem rechteckigen Hohlleiter erzeugt. Bezüglich der Länge des Hohlleiters wird die Hochfre- quenzenergie, vorzugsweise Mikrowellenenergie, seitlich über ein Fenster ausgekoppelt und gelangt in einen Übertragungs¬ raum, der vorzugsweise als mit metallischen Wänden begrenzter Hohlraum ausgebildet ist. Der Übertragungsräum erstreckt sich parallel zur Plasmakammer, so daß die Trennwand zwischen Plas- makammer und Übertragungsraum für beide eine große Seitenwand bildet. Plasmakammer und Übertragungsraum sind vorzugsweise etwa gleich lang und gleich breit ausgebildet.According to the invention, the excitation energy for the plasma is generated by a high-frequency generator in a rectangular waveguide. With regard to the length of the waveguide, the radio-frequency energy, preferably microwave energy, is coupled out laterally via a window and reaches a transmission space, which is preferably designed as a cavity delimited by metallic walls. The transmission space extends parallel to the plasma chamber, so that the partition between the plasma chamber and the transmission space forms a large side wall for both. The plasma chamber and transmission space are preferably of approximately the same length and the same width.
Die durch die Durchgangsöffnungen des metallischen Blechs der Trennwand hindurchtretende, in die Plasmakammer gelangendeThe one that passes through the through openings of the metal sheet of the partition and enters the plasma chamber
Hochfrequenzenergie kann in ihrer Verteilung über die Breite und Länge der Plasmakammer durch eine geeignete Verteilung der Durchgangsöffnungen gesteuert werden, so daß eine ungleich¬ mäßige Energieverteilung kompensiert werden kann.Radio frequency energy can be distributed over the width and length of the plasma chamber by a suitable distribution of the Through openings are controlled so that an uneven distribution of energy can be compensated.
Dieser Effekt kann ferner dadurch erreicht werden, daß der Übertragungsraum eine angepaßte Geometrie aufweist. Diese Geo¬ metrie kann fest vorgegeben sein. Zweckmäßigerweise ist die Geometrie des Übertragungsräumes einstellbar, vorzugsweise dadurch, daß die der Trennwand gegenüberliegende Wand des Übertragungsraums verschiebbar und/oder bezüglich ihrer Nei- gung relativ zur Trennwand einstellbar ist. Beispielsweise wird die Neigung dieser Wand über die Breite der Übertragungs- kammer so ausgebildet, daß mit zunehmendem Abstand vom Fenster der Abstand der verstellbaren Wand zur Trennwand geringer wird, um somit eine ungleichmäßige Energieverteilung aufgrund der verschieden langen Ausbreitungswege auszugleichen.This effect can also be achieved in that the transmission space has an adapted geometry. This geometry can be predefined. The geometry of the transmission space is expediently adjustable, preferably by virtue of the fact that the wall of the transmission space opposite the partition can be displaced and / or its inclination can be adjusted relative to the partition. For example, the inclination of this wall over the width of the transmission chamber is designed such that the distance between the adjustable wall and the partition wall becomes smaller as the distance from the window increases, in order to compensate for an uneven energy distribution due to the differently long propagation paths.
Die Plasmakammer und der Übertragungsraum sind im wesentlichen als rechteckige Räume ausgebildet, wenn man von der möglichen Schrägstellung der verstellbaren Wand des Übertragungsraums gegenüber der Trennwand absieht.The plasma chamber and the transfer space are essentially designed as rectangular spaces, apart from the possible inclination of the adjustable wall of the transfer space relative to the partition.
Die Trennwand weist vorzugsweise zusätzlich zu dem metal¬ lischen Blech eine dielektrische Wand auf, die die Plasmakam¬ mer begrenzt, so daß das Plasma keinen unmittelbaren Kontakt mit dem metallischen Blech aufweist. Ein direkter Kontakt des Plasmas mit dem metallischen Blech würde Metallmoleküle frei¬ setzen, die das Plasma verunreinigen würden.In addition to the metallic sheet, the partition preferably has a dielectric wall which delimits the plasma chamber, so that the plasma has no direct contact with the metallic sheet. Direct contact of the plasma with the metal sheet would release metal molecules which would contaminate the plasma.
Das Fenster zwischen dem Hohlleiter und dem Übertragungsräum kann mit einer mit zunehmendem Abstand vom Hochfrequenzgenera¬ tor über die Länge des Hohlleiters zunehmenden wirksamen Öff¬ nungsfläche ausgebildet sein, um so eine gleichmäßige seit¬ liche Energieauskopplung unabhängig vom Abstand vom Hochfre¬ quenzgenerator zu ermöglichen. Dabei kann sich das Fenster stetig keilförmig oder unstetig treppenförmig vergrößern oder auch mehrere aneinandergereihte Durchgangsöffnungen mit zuneh¬ mender Öffnungsfläche aufweisen. Die Plasmakammer kann mit wenigstens einer bewegbaren, elek¬ trisch leitenden Wand in seiner Größe veränderbar sein, was sich insbesondere für die Bearbeitung unterschiedlich großer Gegenstände anbietet. Die bewegbare Wand liegt dabei vorzugs- weise der Trennwand gegenüber und kann als Hubtisch ausgebil¬ det sein.The window between the waveguide and the transmission space can be formed with an effective opening area increasing with increasing distance from the high-frequency generator over the length of the waveguide, so as to enable uniform lateral energy decoupling regardless of the distance from the high-frequency generator. The window can enlarge continuously in a wedge-shaped or discontinuous step-like manner, or can also have a plurality of through openings lined up with an increasing opening area. The size of the plasma chamber can be changed with at least one movable, electrically conductive wall, which is particularly suitable for processing objects of different sizes. The movable wall is preferably opposite the partition and can be designed as a lifting table.
Zur Erhöhung der Ionendichte kann die der Trennwand gegenüber¬ liegende Wand in an sich bekannter Weise mit einer Vielzahl von Permanentmagneten bestückt sein.To increase the ion density, the wall opposite the partition wall can be equipped with a large number of permanent magnets in a manner known per se.
Die Wand kann alternativ aus wenigstens einem Gitter gebildet sein, so daß die Plasmakammer als Ionenquelle fungiert.The wall can alternatively be formed from at least one grid, so that the plasma chamber functions as an ion source.
In allen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Hochfrequenzgene¬ rator im Pulsbetrieb arbeiten zu lassen, wobei die Puls¬ frequenz des Hochfrequenzgenerators einstellbar ist, um so eine einfache Leistungseinstellung für die Anregungsenergie des Plasmas zu ermöglichen.In all cases, it can be expedient to have the high-frequency generator operate in the pulse mode, the pulse frequency of the high-frequency generator being adjustable in order to enable simple power adjustment for the excitation energy of the plasma.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei¬ gen:The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. It shows:
Figur 1 - einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen PlasmagerätsFigure 1 - a section through a first embodiment of a plasma device according to the invention
Figur 2 - eine schematische perspektivische Ansicht desFigure 2 - a schematic perspective view of the
Geräts gemäß Figur 1Device according to Figure 1
Figur 3 - eine Seitenansicht des Geräts gemäß Figur 2 mit einer anderen Ausführungsart des FenstersFigure 3 - a side view of the device of Figure 2 with a different embodiment of the window
Figur 4 - eine Seitenansicht gemäß Figur 3 mit einer wei- teren Modifikation des Fensters Figur 5 - eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines metallischen Blechs zwischen Übertra¬ gungsraum und PlasmakammerFigure 4 - a side view according to Figure 3 with a further modification of the window Figure 5 - a plan view of an embodiment of a metallic sheet between the transmission space and plasma chamber
Figur 6 - eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des metallischen BlechesFigure 6 - a plan view of another embodiment of the metallic sheet
Figur 7 - eine Darstellung gemäß Figur 1 mit einer Anord¬ nung von Permanentmagneten an einer Wand der PlasmakammerFigure 7 - a representation according to Figure 1 with an arrangement of permanent magnets on a wall of the plasma chamber
Figur 8 - eine schematische Darstellung der Anordnung der Permanentmagneten gemäß Figur 7Figure 8 - a schematic representation of the arrangement of the permanent magnets according to Figure 7
Figur 9 - eine Darstellung gemäß Figur 1 mit einer Aus¬ bildung einer Wand der Plasmakammer als Sieb zur Bildung einer Ionenquelle.FIG. 9 shows a representation according to FIG. 1 with the formation of a wall of the plasma chamber as a sieve to form an ion source.
Figur 1 läßt einen rechteckigen Hohlleiter 1 erkennen, der durch metallische Wände begrenzt ist. In einer bezüglich derFigure 1 shows a rectangular waveguide 1, which is delimited by metallic walls. In one regarding the
Längsrichtung des Hohlleiters kleinen Seitenwand befindet sich ein Fenster 2, durch den eine Verbindung des Innenraums des Hohlleiters 1 mit dem Innenraum eines kubischen metallischen Gehäuses 3 hergestellt wird. In dem metallischen Gehäuse 3 ist ein sich an den Innenraum des Hohlleiters 1 über das Fenster 2 anschließender Übertragungsraum 4 ausgebildet, der durch eine um 90° zur Ebene des Fensters 2 gedrehte Trennwand 5 von einer Plasmakammer 6 getrennt ist. Die Trennwand 5 besteht aus einem metallischen Blech 7 und einer dielektrischen Wand 8, die bei- spielsweise durch eine Al203-Keramik oder eine Quarzplatte ge¬ bildet sein kann.In the longitudinal direction of the small side wall of the waveguide there is a window 2 through which a connection between the interior of the waveguide 1 and the interior of a cubic metallic housing 3 is established. In the metallic housing 3, a transmission space 4 is formed which adjoins the interior of the waveguide 1 via the window 2 and is separated from a plasma chamber 6 by a partition wall 5 rotated through 90 ° to the plane of the window 2. The partition 5 consists of a metal sheet 7 and a dielectric wall 8, which can be formed, for example, by an Al 2 O 3 ceramic or a quartz plate.
Gegenüberliegend von der Trennwand 5 und jenseits des Fensters 2 ist die Übertragungskammer 4 durch eine verschiebbare und verstellbare metallische Wand 9 begrenzt. Die metallische Wand 9 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit vier Ver- Stellstäben 10 verbunden, mit denen die metallische Wand 9 sowohl in ihrem Abstand als auch in ihrer Neigung zur Trenn¬ wand 5 einstellbar ist.Opposite the partition 5 and beyond the window 2, the transmission chamber 4 is delimited by a displaceable and adjustable metallic wall 9. In the exemplary embodiment shown, the metallic wall 9 is provided with four Adjusting rods 10 are connected, with which the metallic wall 9 can be adjusted both in terms of its distance and in terms of its inclination to the partition 5.
Die Plasmakammer 6 ist auf der der Trennwand gegenüberliegen¬ den Seite durch eine metallische Wand 11 begrenzt, die paral¬ lel zur Trennwand 5 verschiebbar ausgebildet ist und so einen Hubtisch 11 a bildet.The plasma chamber 6 is delimited on the side opposite the partition by a metallic wall 11, which is designed to be displaceable parallel to the partition 5 and thus forms a lifting table 11 a.
Der Übertragungsräum 4 ist abgesehen von der Trennwand 5 und der metallischen Wand 9 durch die Wände des kubischen Gehäuses 3 begrenzt. In gleicher Weise ist die Plasmakammer 6, abgese¬ hen von der Trennwand 5 und der metallischen Wand 11 ebenfalls durch die metallischen Wände des kubischen metallischen Gehäu- ses 3 begrenzt.Apart from the partition 5 and the metallic wall 9, the transmission space 4 is delimited by the walls of the cubic housing 3. In the same way, the plasma chamber 6, apart from the partition 5 and the metallic wall 11, is likewise delimited by the metallic walls of the cubic metallic housing 3.
Figur 2 verdeutlicht, daß in dem Rechteckhohlleiter 1 ein Hochfrequenzgenerator 12 angeordnet ist, dessen abgegebene Hochfrequenzenergie aus dem Hohlleiter 1 über das Fenster 2 seitlich ausgekoppelt wird. Da die Hochfrequenzenergie desFIG. 2 shows that a high-frequency generator 12 is arranged in the rectangular waveguide 1, the high-frequency energy which is emitted is laterally coupled out of the waveguide 1 via the window 2. Since the radio frequency energy of the
Hochfrequenzgenerators 12 mit Abstand vom Hochfrequenzgenera¬ tor 12 abnimmt, ist in dem in Figur 2 dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel das Fenster 2 mit zunehmendem Abstand vom Hoch¬ frequenzgenerator 12 keilförmig verbreitert ausgebildet, um mit zunehmendem Abstand eine stärkere Auskopplung der Hochfre¬ quenzenergie in den Übertragungsräum 4 zu gewährleisten.High-frequency generator 12 decreases at a distance from the high-frequency generator 12, in the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the window 2 is widened in a wedge-shaped manner with increasing distance from the high-frequency generator 12, so that the greater the coupling of the high-frequency energy into the transmission space with increasing distance 4 to ensure.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform des Fensters 2' wird der gleiche Effekt durch eine stufenförmige Verbreite- rung des Fensters 2' mit zunehmendem Abstand von dem Hochfre¬ quenzgenerator 12 erreicht.In the embodiment of the window 2 'shown in FIG. 3, the same effect is achieved by a stepwise widening of the window 2' with increasing distance from the high-frequency generator 12.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Fenster 2 ' ' dazu, eine bewußt ungleichmäßige Auskopplung von Hochfrequenzenergie in den Übertragungsraum 4 vorzunehmen, wodurch beispielsweise eine gezielte Abschwächung des Plasmas über die Länge der Anordnung vorgenommen werden kann. Das Fen- ster 2' ' verbreitert sich mit zunehmendem Abstand von dem Hochfrequenzgenerator 12 treppenformig bis zur Mitte der Länge des Gehäuses 3, um sich dann symmetrisch wieder zu verschmä¬ lern.In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the window 2 ″ serves to deliberately unevenly couple high-frequency energy into the transmission space 4, as a result of which, for example, a targeted weakening of the plasma can be carried out over the length of the arrangement. The window ster 2 '' widens with increasing distance from the high-frequency generator 12 up to the middle of the length of the housing 3 in order to then narrow again symmetrically.
Die in den Übertragungsraum 4 (Figur 1) ausgekoppelte Hochfre¬ quenzenergie tr. t durch die Trennwand 5 in die Plasmakammer 6 ein, um dort das Plasma zu zünden. Die Anregungsenergie wird bezüglich der Energieverteilung vergleichmäßigt durch eine geeignete Einstellung der Neigung der einstellbaren metal¬ lischen Wand 9 mit Hilfe der Verstellstäbe 10. Durch eine Ver¬ stellung der Wand 9 kann ferner die Intensität der in die Plasmakammer 6 eingeleiteten Energie beeinflußt werden.The high-frequency energy coupled out into the transmission space 4 (FIG. 1) enters the plasma chamber 6 through the partition 5 in order to ignite the plasma there. The excitation energy is evened out with regard to the energy distribution by a suitable adjustment of the inclination of the adjustable metallic wall 9 with the aid of the adjusting rods 10. The intensity of the energy introduced into the plasma chamber 6 can also be influenced by adjusting the wall 9.
Eine weitere Beeinflussung der räumlichen Verteilung der in die Plasmakammer 6 eingeleiteten Hc~hfrequenzenergie erfolgt durch das metallische Blech 7, das zu diesem Zweck mit syste¬ matisch verteilten Durchgangsöffnungen 13 versehen sein kann. Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchgangsöffnungen 13 als kreisförmige Öffnungen 14 ausgebil¬ det, wobei die näher zum Fenster 2 liegenden Öffnungen 14 einen kleineren Durchmesser aufweisen als die jeweils entfern¬ ter liegenden Öffnungen 14. Auf diese Weise kann ebenfalls eine ungleichmäßige Energieverteilung aufgrund der verschieden langen Ausbreitungswege ausgeglichen werden.The spatial distribution of the high-frequency energy introduced into the plasma chamber 6 is further influenced by the metal sheet 7, which for this purpose can be provided with systematically distributed through openings 13. In the exemplary embodiment shown in FIG. 5, the through openings 13 are designed as circular openings 14, the openings 14 lying closer to the window 2 having a smaller diameter than the openings 14 which are respectively more distant. In this way, an uneven energy distribution can also be achieved due to the different long propagation paths.
Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der gleiche Effekt durch unterschiedlich breite Längsschlitze 15 in dem metallischen Blech erreicht.In the embodiment shown in Figure 6, the same effect is achieved by longitudinal slots 15 of different widths in the metallic sheet.
Die in die Plasmakammer eingeleitete Anregungsenergie für das Plasma läßt sich daher in ihrer räumlichen Verteilung bei dem erfindungsgemäßen Plasmagerät in mehrfacher Weise beeinflus¬ sen, nämlichThe spatial distribution of the excitation energy for the plasma introduced into the plasma chamber can therefore be influenced in several ways, namely in the plasma device according to the invention
durch eine entsprechende Formgebung des Fensters 2, 2' , 2", durch die Einstellung des Abstandes und gegebenenfalls, der Neigung der verstellbaren Wand 9 relativ zur Trenn¬ wand 5 undby appropriate shaping of the window 2, 2 ', 2 ", by adjusting the distance and, if necessary, the inclination of the adjustable wall 9 relative to the partition 5 and
- durch räumlich ungleichmäßige Beeinflussung der Kopplung zwischen Übertragungsraum 4 und Plasmakammer 6 mit Hilfe der Durchgangsöffnungen 13 im metallischen Blech 7 der Trennwand 5.by spatially unevenly influencing the coupling between the transmission space 4 and the plasma chamber 6 with the aid of the through openings 13 in the metallic sheet 7 of the partition 5.
Hinzu kommt die Möglichkeit, die Intensität der Anregungsener¬ gie dadurch zu variieren, daß der Hochfrequenzgenerator 12 im Pulsbetrieb betrieben wird und seine Pulsfrequenz variierbar ist. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, für einen durch den Hubtisch 11 a verkleinerte Plasmakammer 6 auch nur die benötigte geringere Anregungsenergie zur Verfügung zu stellen.In addition, there is the possibility of varying the intensity of the excitation energy in that the high-frequency generator 12 is operated in pulse mode and its pulse frequency can be varied. In this way it is possible, for example, to provide only the lower excitation energy required for a plasma chamber 6 that is reduced in size by the lifting table 11 a.
Figuren 7 und 8 zeigen, daß die verstellbare Wand 11 der Plasmakammer mit einer Vielzahl von Permanentmagneten 16 ver- sehen sein kann, durch die die Ionendichte in der Plasmakammer 6 erhöht und insbesondere bei niedrigem Druck in der Plasma¬ kammer 6 der Zündvorgang erleichtert werden kann. Figur 8 zeigt eine geeignete Verteilung der Permanentmagneten 16 an der Unterseite der Wand 11.FIGS. 7 and 8 show that the adjustable wall 11 of the plasma chamber can be provided with a multiplicity of permanent magnets 16, by means of which the ion density in the plasma chamber 6 can be increased and the ignition process can be facilitated in particular at low pressure in the plasma chamber 6 . FIG. 8 shows a suitable distribution of the permanent magnets 16 on the underside of the wall 11.
Bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Wand 11' der Plasmakammer 6 aus Gitter*wänden und erlaubt den Durchtritt von Ionen, so daß die Plasmakammer 6 als gro߬ flächige Ionenquelle fungiert. In the illustrated embodiment in Figure 9, the wall 11 'of the plasma chamber 6 from grid consists * walls and allows the passage of ions, so that the plasma chamber 6 acts as gro߬ area ion source.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Plasmagerät mit einer Plasmakammer (6) , in der durch Ein¬ leitung elektromagnetischer Energie ein Plasma erzeugbar ist, gekennzeichnet durch1. Plasma device with a plasma chamber (6), in which a plasma can be generated by introducing electromagnetic energy, characterized by
einen rechteckigen Hohlleiter (1) mit einem Hochfre¬ quenzgenerator (12) zur Erzeugung von Hochfrequenz¬ energie in dem Hohlleiter und mit einem seitlichen Fenster (2, 2' , 2") zur Auskopplung von Hochfre¬ quenzenergie,a rectangular waveguide (1) with a high-frequency generator (12) for generating high-frequency energy in the waveguide and with a side window (2, 2 ', 2 ") for coupling out high-frequency energy,
einen seitlich an den Hohlleiter (1) anschließenden und mit diesem über das Fenster (2, 2' , 2' ' ) verbun¬ denen Übertragungsraum (4), der sich parallel zur Plasmakammer (6) erstreckt unda transmission space (4) connecting laterally to the waveguide (1) and connected to it via the window (2, 2 ', 2' '), which extends parallel to the plasma chamber (6) and
eine Trennwand (5) zwischen dem Übertragungsraum (4) und der Plasmakammer (6) ,a partition (5) between the transmission space (4) and the plasma chamber (6),
wobei die Verteilung der durch die Trennwand (5) in die Plasmakammer (6) übertragenen Hochfrequenzener¬ gie durch ein mit Durchgangsöffnungen (13) versehe¬ nes metallisches Blech (7) in der Trennwand (5) und/oder eine angepaßte Geometrie des Übertragungs¬ raumes (4) beeinflußbar ist.the distribution of the high-frequency energy transmitted through the partition (5) into the plasma chamber (6) through a metallic sheet (7) provided with through-openings (13) in the partition (5) and / or an adapted geometry of the transmission room (4) can be influenced.
2. Plasmagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsraum (4) ein Hohlraum mit metallischen Wänden ist.2. Plasma device according to claim 1, characterized in that the transmission space (4) is a cavity with metallic walls.
3. Plasmagerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Trennwand gegenüberliegende Wand (9) bezüglich ihrer Neigung und/oder ihrem Abstand relativ zur Trennwand (5) einstellbar ist. 3. Plasma device according to claim 2, characterized in that the wall opposite the partition (9) is adjustable with respect to its inclination and / or its distance relative to the partition (5).
4. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die mit dem Fenster (2, 2', 2 ' ' ) verse¬ hene Wand und die ihr gegenüberliegende Wand kleiner als die Trennwand (5) und die ihr gegenüberliegende Wand (9) sind.4. Plasma device according to one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that the window (2, 2 ', 2' ') verse¬ hen wall and the opposite wall smaller than the partition (5) and her opposite wall (9) are.
5. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Trennwand (5) aus dem metallischen Blech (7) und einer dielektrischen Wand (8) gebildet ist.5. Plasma device according to one of claims 1 to 4, characterized ge indicates that the partition (5) from the metallic sheet (7) and a dielectric wall (8) is formed.
6. Plasmagerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (6) durch die dielektrische Wand (8) be¬ grenzt ist, an die sich zum Übertragungsraum (4) hin das metallische Blech (7) anschließt.6. Plasma device according to claim 5, characterized in that the plasma chamber (6) is delimited by the dielectric wall (8), to which the metal plate (7) adjoins the transmission space (4).
7. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Fläche der Durchgangsöffnungen (13) pro Flächeneinheit des metallischen Bleches (7) mit zuneh¬ mendem Abstand vom Fenster (2, 2' , 2") zunehmend ausge- bildet ist.7. Plasma device according to one of claims 1 to 6, characterized ge indicates that the area of the through openings (13) per unit area of the metal sheet (7) with increasing distance from the window (2, 2 ', 2 ") increasingly out - forms is.
8. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Fenster (2, 2', 2 ' ' ) des Hohlleiters (1) mit einer mit zunehmendem Abstand vom Hochfrequenzge- nerator (12) über die Länge des Hohlleiters (1) zunehmen¬ den wirksamen Öffnungsfläche ausgebildet ist.8. Plasma device according to one of claims 1 to 7, characterized ge indicates that the window (2, 2 ', 2' ') of the waveguide (1) with an increasing distance from the high frequency generator (12) over the length of Waveguide (1) increasing effective opening area is formed.
9. Plasmagerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fenster (2) stetig keilförmig vergrößert.9. Plasma device according to claim 8, characterized in that the window (2) increases continuously wedge-shaped.
10. Plasmagerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fenster (2') unstetig treppenformig vergrößert.10. Plasma device according to claim 8, characterized in that the window (2 ') increases discontinuously staircase.
11. Plasmagerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster mehrere aneinandergereihte Durchgangsöffnungen mit zunehmender Öffnungsfläche aufweist. 11. Plasma device according to claim 8, characterized in that the window has a plurality of through openings lined up with increasing opening area.
12. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (6) mit wenigstens einer bewegbaren, elektrisch leitenden Wand (11) in seiner Größe veränderbar ist.12. Plasma device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the plasma chamber (6) with at least one movable, electrically conductive wall (11) is variable in size.
13. Plasmagerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Wand (11) der Trennwand (5) gegenüber liegt.13. Plasma device according to claim 12, characterized in that the movable wall (11) of the partition (5) is opposite.
14. Plasmagerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich- net, daß die bewegbare Wand (11) als Hubtisch ausgebildet ist.14. Plasma device according to claim 12 or 13, characterized in that the movable wall (11) is designed as a lifting table.
15. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die der Trennwand (5) gegenüberlie- gende Wand (11) mit einer Vielzahl von Permanentmagneten (16) bestückt ist.15. Plasma device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the partition (5) opposite wall (11) is equipped with a plurality of permanent magnets (16).
16. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die der Trennwand (5) gegenüberlie- gende Wand (11') wenigstens eine Gitterwand aufweist, so daß die Plasmakammer (6) als Ionenquelle fungiert.16. Plasma device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the partition (5) opposite wall (11 ') has at least one grid wall, so that the plasma chamber (6) acts as an ion source.
17. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (12) im Pulsbetrieb arbeitet und daß die Pulsfrequenz einstellbar ist.17. Plasma device according to one of claims 1 to 16, characterized in that the high-frequency generator (12) operates in pulse mode and that the pulse frequency is adjustable.
18. Plasmagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (12) ein Mikrowellengenerator ist. 18. Plasma device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the high-frequency generator (12) is a microwave generator.
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