DD263648B5 - Device for the generation of a microwave plasma with a large expansion and homogeneity - Google Patents

Description

Hierzu 5 Seiten ZeichnungenFor this 5 pages drawings

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Mikrowellenplasma nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1The invention relates to a device for generating a microwave plasma according to the preamble of claim 1

Nichtthermische Mikrowellenplasmen fur die chemische und/oder physikalische Stoffwandlung weisen gegenüber auf andere Weise erzeugten Entladungsplasmen eine um etwa eine Größenordnung höhere Stoffumsatzrate unter sonst gleichen Bedingungen auf Sie eignen sich damit besonders fur den industriellen Einsatz bei der Bearbeitung von Massenartikeln, vor allem von großflächigen und/oder kontinuierlich zu beschichtenden Gegenstanden Voraussetzung dafür ist das Vorhandensein einfach aufgebauter, ausgedehnter Plasmaquellen Entsprechend den physikalischen Eigenschaften der Mikrowellen (Ausbreitungsfahigkeit auf räumlich exakt begrenzbaren Wellenleitern) bietet sich hier besonders die Nutzung langgestreckter, linienformiger, seitwärts zuganglicher und bei Bedarf mehrfach parallel zueinander installierbarer Plasmaquellen mit variabler Lange an Die Plasmaeigenschaften müssen dabei längs der Quellen möglichst homogen sein Außerdem sollten in gewissen Grenzen Abweichungen der Linienführung von der Geraden möglich sein, um auch gekrümmte Objekte bearbeiten zu konnenNon-thermal microwave plasmas for chemical and / or physical material conversion have a roughly higher order of magnitude than otherwise produced equivalent discharge rates compared to discharge plasmas produced in other ways. They are thus particularly suitable for industrial use in the processing of bulk articles, especially large-area and / or or objects to be coated continuously A prerequisite for this is the existence of simply constructed, extended plasma sources. In accordance with the physical properties of the microwaves (propagation capability on waveguides which can be limited in space), the use of elongated, line-shaped, sideways accessible and, if required, multiple plasma sources that can be installed parallel to each other is particularly advantageous variable length on The plasma properties must be as homogeneous as possible along the sources. In addition, deviations of the line characteristics should occur within certain limits ng of the line to be able to edit even curved objects

Die bekannten Losungen zur Erzeugung von nichtthermischen Mikrowellenplasmen mit Neutralgas-Druckbereich zwischen 10' und 10³ Pa lassen sich nach der Art der Einkopplung der Mikrowellenenergie in das Plasma klassifizieren Eine Gruppe von Losungsvarianten ist durch die Anordnung von dielektrischen Entladungsgefaßen in Resonatoren bzw die Nutzung von Resonatoren als Entladungsgefäß gekennzeichnet (z B Fehsenfeid, F C et a I, Rev Sei Instrum 36(1965] 294, DE-OS 3 117 252, DE-OS 2 606 937) Die hierbei entstehenden Plasmen sind, bedingt durch den Resonanzeffekt und die dementsprechenden Modenstrukturen der Resonatoren sehr inhomogen, wenn sie nicht auf kleine Volumen in der Größenordnung von wenigen cm³ bis zu einigen zehn cm³ beschrankt werden Bei großen Volumen tritt unter Umstanden Modenkonkurrenz und damit Instationaritat der Plasmen auf Änderungen der Plasmaparameter verschieben die Arbeitspunkte der Resonatoren und bringen Anpassungsprobleme mit sich Vorteilhaft an auf diese Weise erzeugten Plasmen sind die relativ hohen erreichbaren Elektronendichten (10¹³ cm³) und die durch die Resonanzeffekte erleichterte Zundbarkeit der Plasmen Eine weitere Gruppe von Losungsvarianten enthalt die verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung von Entladungsgefaßen in geschlossenen Wellenleitern (z B Fehsenfeid F C et al, Rev Sei Instrum 36 [1965] 294, Gilgenbach, R M, Am J Phys 52 [1984] 710, Zakrzewski Z , Czech J Phys B 34 [1984] 105, Mejia, S R et al, Rev Sei Instrum 57 [1986] 493) Hierbei sind die Plasmen in ihren Abmessungen durch die Wellenleiterabmessungen beschrankt (bei der Industriefrequenz 2,4 GHz sind die üblichen Querschnitte von H^-Mode-Rechteckhohlleitern ca 5x10 cm), entsprechend dem Modenbild der Wellenleiter inhomogen und bei größeren Abmessungen tritt wiederum Modenkonkurrenz aufThe known solutions for the production of non-thermal microwave plasmas with a neutral gas pressure range between 10 'and 10 ³ Pa can be classified according to the type of coupling of the microwave energy into the plasma. A group of solution variants is the arrangement of dielectric discharge vessels in resonators or the use of resonators as discharge vessel (eg Fehsenfeid, FC et al., Rev. Sei Instrum 36 (1965) 294, DE-OS 3 117 252, DE-OS 2 606 937) The resulting plasmas are due to the resonance effect and the corresponding mode structures The resonators are very inhomogeneous if they are not confined to small volumes on the order of a few cm ³ to a few tens cm ^3. For large volumes, fashion competition and thus instationarity of the plasmas may occur. Changes in the plasma parameters shift the operating points of the resonators and bring about adjustment problems beneficial to this Plasmas produced in this way are the relatively high achievable electron densities (10 ¹³ cm ³ ) and the plasmas of the plasmas facilitated by the resonance effects. Another group of solution variants contains the different possibilities of arranging discharge vessels in closed waveguides (eg Fehsenfeid FC et al, Rev Sei Instrum 36 [1965] 294, Gilgenbach, RM, Am J Phys 52 [1984] 710, Zakrzewski Z, Czech J Phys B 34 [1984] 105, Mejia, SR et al., Rev Se Instrum 57 [1986] 493) the dimensions of the plasmas are limited by the waveguide dimensions (at the industrial frequency of 2.4 GHz the usual cross sections of H ^ mode rectangular waveguides are approx. 5x10 cm), inhomogeneous according to the mode image of the waveguides and, in the case of larger dimensions, fashion competition again occurs

Die elektrische Leitfähigkeit der Plasmen ermöglicht es auch, diese selbst als Wellenleiter zu verwenden Bei den Surfatron oder Surfaguide genannten Vorrichtungen laufen die Mikrowellen als Oberflachenwellen auf von ihnen selbst erzeugten Plasmasaulen in dielektrischen Rohren mit Durchmessern im cm-Bereich (z B Moisan, M et al, Rev Phys Appl 1711982] 707) Die Vorteile dieser Vorrichtungen sind die im Vergleich zur Lange der erzeugten Plasmasaule geringen Abmessungen der Kopplungsvorrichtungen, die die Umwandlung der Hohlleitungs- oder Lecherwellen in die Plasmaoberflachenwellen bewirken, die großen Langen (bis zu 2 m) und die fast vollständige Umsetzung der Mikrowellenenergie in Plasmaenergie Nachteilig sind die prinzipbedingte Ortsabhangigkeit der Plasmaparameter längs der Säulen Damit lassen sich diese Plasmen kaum fur technologische Prozesse, bei denen die zu bearbeitenden Substrate langsseits der Plasmen angeordnet werden, nutzen Eine dem Surfatron ähnliche Kopplungsvorrichtung wird von Kato und Mitarbeitern angegeben (Kato, I et al, J Appl Phys 51 [1980], 5312) Dabei bildet das durch ein Quarzrohr gehalterte Plasma (Durchmesser 0,2 bis 2 cm) den Innenleiter eines Koaxialleiters Die beiden letzt genannten Vorrichtungen sind gut geeignet zur Erzeugung reaktiver flowing-afterglow-Plasmen Als vierte Gruppe von Losungsvarianten ist die Anordnung von Entladungsgefaßen im Feld oder Streufeld von Antennen oder offenen Wellenleiterstrukturen US-PS 3 663 858 und US-PS 3 814 983 oder sonstigen strahlenden Elementen, ζ B Koppellochern, Koppelschlitzen und -stiften in Hohlleitern, zu nennenThe electrical conductivity of the plasmas also makes it possible to use them as waveguides themselves. Surfatron or Surfaguide devices use microwaves as surface waves on plasma plumes generated by them in dielectric tubes with diameters in the cm range (eg Moisan, M et al , Rev Phys Appl 1711982] 707) The advantages of these devices are the small dimensions of the coupling devices, which cause the conversion of the waveguide or Lecher waves in the plasma surface waves compared to the length of the plasma column generated, the large lengths (up to 2 m) and the almost complete conversion of the microwave energy into plasma energy The disadvantages are the inherent spatial dependence of the plasma parameters along the columns. Thus, these plasmas are hardly used for technological processes in which the substrates to be processed are placed alongside the plasmas. A surfatron-like coupling device Kato et al., J Appl Phys 51 [1980], 5312). The plasma supported by a quartz tube (diameter 0.2 to 2 cm) forms the inner conductor of a coaxial conductor. The two latter devices are well suited for the generation of reactive flowing-afterglow plasmas. The fourth group of solution variants is the arrangement of discharge vessels in the field or stray field of antennas or open waveguide structures US Pat. No. 3,663,858 and US Pat. No. 3,814,983 or other radiating elements, ζ B Coupling holes, coupling slots and pins in waveguides to call

Bei der Vorrichtung nach der US-PS 3 814 983 ist ein langgestrecktes Entladungsgefäß mit dielektrischen Wanden im Feld einer leiterformigen, offenen, mit einem angepaßten Absorber abgeschlossenen Verzögerungsleitung angeordnet Eine geringfügige Neigung der Leitung und des Gefäßes zueinander bewirkt die Kompensation der längs des Plasma absinkenden Leistung der fortschreitenden Mikrowellen durch verstärkte Kopplung zwischen Wellenleiter und Plasma Die DE-OS 3 147 986 verbesserte diese Anordnung durch Nutzung zweier nebeneinander hegender, gegenläufig gespeister Verzögerungsleitungen, die leicht um ihre Achsen gedreht sind, so daß sie ein gemeinsames, noch homogeneres Plasma erzeugen Durch gegeneinander versetzte Anordnung der Sprossen der beiden Leitungen wird der in den Plasmen der Einzelleitungen sich abbildende Einfluß der Leiterstruktur verringert Mk diesen Anordnungen werden die derzeit ausgedehntesten nichtthermischen Mikrowellenplasmen fur Stoffwandlungszwecke realisiertIn the apparatus of US Pat. No. 3,814,983, an elongate discharge vessel having dielectric walls is disposed in the field of a ladder-shaped, open delay line terminated with a matched absorber. A slight inclination of the line and vessel to each other compensates for the plasma sinking power The advancing microwaves through enhanced coupling between waveguide and plasma DE-OS 3,147,986 improved this arrangement by using two juxtaposed, in opposite directions fed delay lines, which are slightly rotated about their axes, so that they produce a common, even more homogeneous plasma through against each other staggered arrangement of the rungs of the two lines reduces the influence of the conductor structure which is reflected in the plasmas of the individual lines. Mk These arrangements make the currently most extensive non-thermal microwave plasmas realizable for material conversion purposes ated

Nach dem genannten Stand der Technik ist allen Verfahren und Einrichtungen gemeinsam, daß eine großraumige Plasmazone nur bedingt homogenisiert werden kann und daß die einmal konstruktiv festgelegte Plasmaverteilung nicht mehr variiert werden kann. Ein paralleles Anordnen mehrerer Plasmazonen ist nur bedingt möglich, da die offenen Strukturen sich dann unkontrolliert beeinflussen. Auch ist das Anpassen einer homogenen Plasmazone an nicht ebene Substrate nur schwer möglichAccording to the cited prior art, all methods and devices have in common that a large-area plasma zone can only be homogenized to a limited extent and that the once constructively fixed plasma distribution can no longer be varied. A parallel arrangement of several plasma zones is only conditionally possible because the open structures then influence uncontrollably. It is also difficult to adapt a homogeneous plasma zone to non-planar substrates

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, bei der eine Mikrowellenenergiestromung unter Anwendung von Wellenleitern und Koppelelementen zur Erzeugung eines in der Bearbeitungszone gleichmäßigen und großraumigen Plasmas ausgenutzt wird Hiermit wird das Ziel verfolgt, ein hochreaktives, nichtthermisches und großraumig homogenes Plasma zu erzeugen, mit dem vorteilhaft physikalische und/oder chemische Stoffumwandlungsprozesse realisiert werden könnenThe invention has for its object to provide a device in which a microwave energy flow using waveguides and coupling elements for generating a uniform and large-scale plasma in the processing zone is exploited Hereby the aim is to produce a highly reactive, non-thermal and large-scale homogeneous plasma, With the advantageous physical and / or chemical material conversion processes can be realized

Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelost Die Unteranspruche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der ErfindungAccording to the invention, this object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1. The subclaims relate to advantageous developments of the invention

Die Erfindung dient der vorteilhaften Nutzung des nichtthermischen Mikrowellenplasmas, mit seinen hohen chemischen und/oder physikalischen Stoffumwandlungsraten, fur Plasmabearbeitungsverfahren mit großraumigen Substraten und großer Plasmahomogenitat in der Plasma-Bearbeitungszone Besonders geeignete Anwendungsgebiete sind die Abscheidung von Schichten, ζ B Plasmapolymerschichten, Hartstoffschichten oder Halbleiterschichten, das Plasmaatzen und die physikalische Oberflachenaktivierung Hervorzuheben ist auch die Eignung der Erfindung zur Erzeugung von Laserplasmen Mittels der Einrichtung nach der Erfindung laßt sich ein Verfahren zur Erzeugung eines Mikrowellenplasma mit großer Ausdehnung und Homogenitat in der zu nutzenden Plasmazone, bei dem die Mikrowellenenergie mittels Wellenleiter und Koppelelementen in den Plasmaraum geleitet wird, durchfuhren, bei dem die Mikrowellenenergie aus einem ersten Wellenleiter, der die Mikrowellenenergie heranfuhrt, mit bekannten Koppelelementen in einen zweiten Wellenleiter derart definiert variabel ausgekoppelt wird, daß der Energieeintrag von dem zweiten Wellenleiter in den Plasmaraum in der Längsrichtung der Plasmazone ein Plasma mit dem gewünschten Homogenitatsverlauf in der zu nutzenden Plasmazone ausbildet Dabei kann die Einkopplung von Mikrowellenenergie in den Plasmaraum mehrfach parallel erfolgen, und zwar derart, daß sich die mehrfach ausbildenden Plasmazonen im wesentlichen zu einer gemeinsamen flächigen Plasmazone vereinigen Mit der erfindungsgemaßen Losung ist es möglich, die Energiemenge, die in der Plasmazone eingetragen wird, derart zu variieren, daß innerhalb der konkreten Bearbeitungszone ein weitgehend homogenes Plasma vorhanden ist Dieses ist Voraussetzung fur ausgeglichene chemische und/oder physikalische Plasmaprozesse, ζ B einer gleichmäßigen Schichtbildung Die Substratoberflache und damit die Bearbeitungszone kann dabei eine ebene Flache sein oder auch andere Oberflachenformen, wie Biegungen, aufweisenThe invention serves the advantageous use of the non-thermal microwave plasma, with its high chemical and / or physical conversion rates, for plasma processing with large-area substrates and high plasma homogeneity in the plasma processing zone. Particularly suitable application areas are the deposition of layers, B plasma polymer layers, hard coatings or semiconductor layers, It is also the suitability of the invention to generate laser plasmas. The device according to the invention provides a method for generating a microwave plasma with high expansion and homogeneity in the plasma zone to be used, in which the microwave energy is generated by means of waveguides and coupling elements is conducted in the plasma chamber, durchfuhren, in which the microwave energy from a first waveguide, which leads the microwave energy, with known coupling elements i a second waveguide is defined in a variably coupled manner such that the energy input from the second waveguide into the plasma space in the longitudinal direction of the plasma zone forms a plasma having the desired homogeneity profile in the plasma zone to be used. The coupling of microwave energy into the plasma space can take place in parallel several times. In such a way that the multiply forming plasma zones essentially unite to form a common planar plasma zone With the solution according to the invention, it is possible to vary the amount of energy introduced in the plasma zone such that a largely homogeneous plasma exists within the concrete processing zone This is a prerequisite for balanced chemical and / or physical plasma processes, ζ B uniform layer formation The substrate surface and thus the processing zone can be a flat surface or other surface shapes, such as bends, respectively

Bei größeren Substraten kann verfahrensgemaß eine Vielzahl derartiger variabler Energieeinkopplungen in den Plasmaraum parallel erfolgenIn the case of larger substrates, according to the method a multiplicity of such variable energy couplings into the plasma chamber can take place in parallel

Zur Realisierung dieses Verfahrens wird erfindungsgemaß eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der die Wellenenergie von einer Quelle über einen ersten Wellenleiter herangeführt wird, an diesen parallel ein zweiter Wellenleiter angekoppelt ist, wobei an der Koppelstelle ein oder mehrere variabel einstellbare Koppelelemente vorhanden sind und der Plasmaraum an den zweiten Wellenleiter angekoppelt ist Der erste und der zweite Wellenleiter weisen vorteil hafterweise die gleiche Leitungswellenlange auf, da anderenfalls unerwünschte Wellenuberlagerungen auftreten Bei Anwendung von Rechteckwellenleitern kann sehr vorteilhaft die Kopplungswand als eine konstruktiv gemeinsame Wandung ausgebildet sein Eine vorteilhafte Ankopplung des zweiten Wellenleiters an den Plasmaraum ist die über die Schmalseite des Rechteckwellenleiters Mit dieser Losung können die Plasmaeigenschaften in der Querausdehnung gunstig beeinflußt werden Eine weitere Ausfuhrung kann derart ausgebildet sein, daß der zweite Wellenleiter den ersten umschließt und der Plasmaraum außen angekoppelt ist Die Wellenleiter können in bekannter Weise als Hohlleiter, als dielektrischer Wellenleiter oder als mit Dielektrikum ausgefüllter Wellenleiter ausgebildet sein Es ist auch möglich, den zweiten Wellenleiter unmittelbar als Mikrowelleneintrittsfenster in das Plasma einzusetzen In diesem Fall muß dieser zweite Wellenleiter ein Dielektrikum enthaltenTo implement this method, the invention proposes a device in which the wave energy is supplied from a source via a first waveguide, parallel to this, a second waveguide is coupled, wherein at the coupling point one or more variably adjustable coupling elements are present and the plasma chamber to the The first and the second waveguide advantageously have the same conduction wavelength, otherwise unwanted wave superpositions occur When using rectangular waveguides, the coupling wall can be designed as a structurally common wall very advantageous An advantageous coupling of the second waveguide to the plasma space is over the narrow side of the rectangular waveguide With this solution, the plasma properties in the transverse extent can be favorably influenced. A further embodiment can be designed such that the second The waveguides may be formed in a known manner as a waveguide, as a dielectric waveguide or dielectric filled with waveguide It is also possible to use the second waveguide directly as a microwave entrance window in the plasma In this case, this must second waveguides contain a dielectric

Die wesentlichsten Vorteile der erfindungsgemaßen Losungen bestehen in einem räumlich konzentrierten, kompakten Aufbau der Quelle und in einer besseren Plasmahomogenitat längs und quer zur Quelle Weiterhin laßt sich die Lange der Plasmazone wahrend des Betriebes variieren und es lassen sich gezielt Inhomogenitäten im Plasma erzeugen Der konzentrierte Aufbau erleichtert die parallele Anordnung mehrerer Quellen zur Erzeugung von Plasmen mit großer QuerausdehnungThe most important advantages of the solutions according to the invention consist in a spatially concentrated, compact construction of the source and in better plasma homogeneity along and across the source. Furthermore, the length of the plasma zone during operation can be varied and inhomogeneities in the plasma can be produced in a targeted manner the parallel arrangement of multiple sources to produce large transverse dimension plasmas

Ausführungsbeispieleembodiments

Nachfolgend soll die Erfindung an fünf Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert werden Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inBelow, the invention will be explained in more detail in five exemplary embodiments The accompanying drawings show in

Fig 1 das Prmzipschaltbild des Verfahrens1 shows the Prmzipschaltbild the method

Fig 2 eine Einrichtung mit T-formigerRechteckhohlleiter-AnordnungFig. 2 shows a device with T-shaped rectangular waveguide arrangement

Fig 3 eine Einrichtung mit Rechteckhohlleitern, die mit der Breitseite aneinanderliegen3 shows a device with rectangular waveguides, which lie against each other with the broad side

Fig 4 eine Einrichtung mit zwei angekoppelten Rechteckhohlleitern4 shows a device with two coupled rectangular waveguides

Fig 5 eine Einrichtung, bei der der zweite Wellenleiter gleichzeitig das Mikrowellenfenster ist und5 shows a device in which the second waveguide is simultaneously the microwave window and

Fig 6 eine koaxiale Ausfuhrungsform6 shows a coaxial embodiment

In Fig 1 ist schematisch das Prmzipschaltbild des Verfahrens dargestelltIn Fig 1, the Prmzipschaltbild the method is shown schematically

Langs eines Mikrowellenleiters 1, der Mikrowellenenergie in einer oder mehreren stabilen Moden (vom Lecher- oder Hohlleitungs- oder Oberflachenwellentyp) von einem Generator 3 zu einem angepaßten Absorber 4 transportiert, wird Mikrowellenenergie mittels geeignet verteilter einstellbarer Koppelelemente in einen zweiten parallelen Wellenleiter eingekoppelt, der so aufgebaut ist, daß in ihm mindestens eine ausbreitungsfahige Mode besteht, die durch das einen Teil seiner Berandung bildende Plasma gedampft wird Dieser zweite Wellenleiter ist an seinen beiden Enden durch angepaßte Absorber 5 und 6 abgeschlossen Dabei sind der vorzugsweise konstante Abstand der Koppelelemente untereinander und deren Kopplungsgrad so gewählt, daß sich im gesamten zweiten Wellenleiter durch Überlagerung der Wellenanteile jeweils mehrerer Koppelelemente eine sehr gleichmäßige Energiedichte einstellt Auf diese Weise wird sowohl der Einfluß der durch die Auskopplung abnehmenden Energieflußdichte im ersten Wellenleiter als auch der Einfluß der diskreten Verteilung der Koppelelemente kompensiert und es entsteht ein über die Lange sehr homogenes Plasma Neben diskreten Koppelelementen können auch kontinuierlich verteilte Koppelelemente, wie ζ B bei Hohlleitern lange Schlitze mit in Richtung Absorber zunehmender Breite Verwendung finden Damit geht aber der Vorteil der Variabilität der Anordnung, ihrer Anpaßbarkeit an veränderte Plasmaparameter mittels veränderter Einstellung einer begrenzten Zahl von Koppelelementen verloren bzw gestaltet sich komplizierterLangs a microwave conductor 1, the microwave energy in one or more stable modes (of Lecher or waveguide or surface wave type) transported from a generator 3 to a matched absorber 4, microwave energy is coupled by means of suitably distributed adjustable coupling elements in a second parallel waveguide, the like is constructed in that there is at least one propagatable fashion in it, which is vaporized by the plasma forming part of its boundary This second waveguide is completed at its two ends by matched absorber 5 and 6 Here, the preferably constant distance between the coupling elements and their degree of coupling chosen so that sets a very uniform energy density in the entire second waveguide by superposition of the wave components of each of a plurality of coupling elements in this way, both the influence of decreasing by the coupling Energieflußdichte in the first n waveguide and the influence of the discrete distribution of the coupling elements compensated and there is a very homogeneous over the long plasma in addition to discrete coupling elements and continuously distributed coupling elements, such as bei B in waveguides long slots with increasing width in the direction of absorber use However, this is the Advantage of the variability of the arrangement, their adaptability to changing plasma parameters lost by changing the setting of a limited number of coupling elements or designed to be more complicated

Ausführungsbeispiel IEmbodiment I

Die Einrichtung nach Fig 2 besteht aus zwei H₁₀-Mode Rechteckhohlleitern mit gleichen Hohlleiterwellenlangen, die T-formig aufeinanderstehen Das Plasma bildet sich an der einen Schmalseite des koppelnden Wellenleiters 2 aus, in der sich ein vakuumdichtes Fenster aus mikrowellendurchlassigem Material 14 befindet Durch die spezielle Wahl der Breite dieses Fensters lassen sich die Querausdehnung des Plasmas und die elektrische Feldstarke im Plasma beeinflussen Die Kopplung zwischen den Ε-Feldern der beiden Wellenleiter erfolgt über Koppellocher 8, in deren Mitte sich metallische Kopplungshaken 9 befinden Die Haken sind an durch die Deckflache des die Mikrowellen heranführenden Wellenleiters 1 geführten dünnen, isolierenden Aufhangungen 10 befestigt, mit deren Hilfe sie zwecks Einstellung der Koppeldampfung in der Hohe verstellt oder gedreht werden können Die absoluten Werte der Koppeldampfung, zwischen denen variiert werden kann, werden durch die Abmessungen der Koppelhaken (Lange und Durchmesser) und die Durchmesser der Koppellocher bestimmt Durch die Verwendung von Hohlleitern, die Anbringung von Schirmhulsen 11 an den Durchfuhrungen der Hakenaufhangungen und die Möglichkeit, die Hohlleiterwande unmittelbar mit den Wanden eines Metallrezipienten zu verbinden, kann eine hohe Sicherheit vor gesundheitsgefahrdender Mikrowellenleckstrahlung erreicht werden Die wesentlichen Besonderheiten dieser Ausfuhrungsform sind die in den fensternahen Bereichen sehr hohe Homogenitat des Plasmas auch in der Querausdehnung und die zeitunabhangige, eindeutige Polarisation des elektrischen Feldes im Plasma (entsprechend dem Modenbild der Stromverteilung auf den Hohlleiterwanden)The device of Figure 2 consists of two H ₁₀ -mode rectangular waveguides with the same waveguide wavelengths which are T-shaped on each other The plasma is formed on the one narrow side of the coupling waveguide 2, in which a vacuum-tight window of Mikrowellendurchlassigem material 14 is Choice of the width of this window can affect the transverse extent of the plasma and the electric field strength in the plasma The coupling between the Ε fields of the two waveguides via coupling holes 8, in the middle of which metallic coupling hooks are 9 The hooks are on by the top surface of the Microwave guiding waveguide 1 guided thin insulating hangers 10 attached, with the aid of which they can be adjusted or rotated for the purpose of setting the coupling steam in height The absolute values of the coupling steam, between which can be varied, are determined by the dimensions of the coupling hooks (Lange and diameter) and the diameter of the coupling holes determined by the use of waveguides, the attachment of Schirmhulsen 11 at the ducts of the hook suspensions and the ability to connect the waveguide walls directly to the walls of a metal recipient, a high degree of security against health hazardous microwave radiation can be achieved The Significant features of this embodiment are the very high homogeneity of the plasma in the near-window areas, also in the transverse dimension and the time-independent, unambiguous polarization of the electric field in the plasma (corresponding to the mode pattern of the current distribution on the waveguide walls).

Ausführungsbeispiel IlExemplary embodiment II

Die Einrichtung nach Fig 3 besteht aus zwei H₁₀-Mode-Rechteckhohlleitern gleicher Abmessungen, die eine gemeinsame Breitseite besitzen Die verteilte Kopplung wird durch Koppellocher realisiert, in deren Mitte sich metallisch leitende Gewindestifte befinden Wie im Ausfuhrungsbeispiel I wird der Kopplungsgrad durch den Durchmesser der Koppellocher, die Lange und den Durchmesser der Kopplungsstifte und durch deren Eintauchtiefe bestimmt Die Variation des Kopplungsgrades erfolgt über die Änderung der Eintauchtiefe der in dielektrischen, mikrowellendurchlassigen Scheiben 12 sitzenden Gewindestifte Auf der zweiten Breitseite des koppelnden Wellenleiters 2 befindet sich wieder ein Mikrowellenfenster 14 zur Einkopplung in das PlasmaThe device of Figure 3 consists of two H ₁₀ -mode square waveguides of the same dimensions, which have a common broadside The distributed coupling is realized by coupling holes, in the middle of which are metallically conductive threaded pins As in exemplary embodiment I, the degree of coupling through the diameter of the coupling holes , the length and the diameter of the coupling pins and determined by their depth of immersion The variation of the degree of coupling is done by changing the depth of immersion in the dielectric, microwave permeable discs 12 seated screws on the second broad side of the coupling waveguide 2 is again a microwave window 14 for coupling into the plasma

Mit dieser Anordnung können auf einfachste Weise breitere Plasmen erzeugt werden Dabei ist aber die elektrische Feldstarke und damit das Plasma in der Querausdehnung dem Modenbild der Hohlleiter entsprechend inhomogen Bei Verwendung von Flachhohlleitern lassen sich besonders gunstig gekrümmte Plasmen erzeugenWith this arrangement, broader plasmas can be produced in the simplest way. However, the electric field strength and thus the plasma in the transverse extension are correspondingly inhomogeneous with the mode pattern of the waveguides. When flat waveguides are used, it is possible to produce particularly favorable curved plasmas

-A--A-

Ausfiihrungsbeispiel IIIExemplary embodiment III

Bei der Einrichtung nach Fig 4 sind zwei koppelnde H^-Mode-Rechteckhohlleiter 2, die eine gemeinsame Trennwand 13 haben, gleichphasig an die Breitseite des die Mikrowellen heranführenden Hohlleiters 1 angekoppelt Die Art der Kopplung ist dieselbe wie im Ausfuhrungsbeispiel I Alle drei Hohlleiter haben die gleichen Abmessungen Die beiden koppelnden Hohlleiter 2 besitzen ein gemeinsames mikrowellendurchlassiges Fenster 14, hinter dem sich zwei Phasen ausbilden, die sich schon in geringem Abstand vom Fenster zu einem gemeinsamen, in der Querrichtung ebenfalls homogenen Plasma überlagern Diese Ausfuhrungsform ist ein besonders geeigneter Grundbaustein fur die Erzeugung von flachenhaften, weitgehend homogenen PlasmenIn the device of Figure 4, two coupling H ^ -Mode rectangular waveguide 2, which have a common partition 13, in-phase coupled to the broad side of the microwave leading herring waveguide 1 The type of coupling is the same as in the exemplary embodiment I All three waveguides have The two coupling waveguides 2 have a common microwave transparent window 14, behind which form two phases, which overlap even at a small distance from the window to a common, in the transverse direction also homogeneous plasma This embodiment is a particularly suitable building block for the production of flat, largely homogeneous plasmas

Ausführungsbeispiel IVEmbodiment IV

Bei der Einrichtung nach Fig 5 ist der die Mikrowellen heranführende Wellenleiter 1 wiederum ein Rechteckhohlleiter, an dessen einer Breitseite der mit einem verlustarmen Dielektrikum (z B Teflon oder Quarzglas) gefüllte zweite Hohlleiter 2 ebenfalls mit der Breitseite angekoppelt ist Das Dielektrikum dient gleichzeitig als vakuumdichtes Mikrowellenfenster fur den Metallrezipienten, in dem das Plasma hinter einem Langsschlitz in der zweiten Breitseite des zweiten Wellenleiters entsteht Zur Gewährleistung gleicher Wellenlangen in beiden Hohlleitern ist der zweite Wellenleiter entsprechend dem Wert des relativen Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums in der Breite reduziert Durch die hier dargestellte Verwendung von Flachhohlleitern, von denen der zweite Hohlleiter in die Wand eines Metallrezipienten 15 eingearbeitet ist, kann diese Ausfuhrungsform äußerst einfach und kompakt aufgebaut werden und gut an gekrümmte Linienführungen des Plasmas (ζ Β Rezipienten-Wande) angepaßt werden Die verteilte Kopplung der Hohlleiter wird ähnlich wie im Ausfuhrungsbeispiel Il durch Locher in der gemeinsamen Trennwand der Hohlleiter realisiert In der Mitte dieser Locher befinden sich metallische Gewindestifte 7, die in Gewindesacklochern im Dielektrikum stehen Die Variation der Kopplung wird durch Hinein- oder Herausdrehen der Stifte vorgenommen Dazu befinden sich in der gegenüberliegenden Seite des heranführenden Hohlleiters 1 zylindrische kleine, mikrowellendichte Kanäle zum Durchfuhren entsprechender Werkzeuge oder auch nur Locher 16, die wahrend des Betriebes mit metallischen Stopfen verschlossen werden können Nachteilig an dieser Ausfuhrungsform ist die etwas verringerte LeistungsbelastbarkeitIn the device according to FIG. 5, the waveguide 1 leading the microwaves is again a rectangular waveguide, at one broad side of which the second waveguide 2 filled with a low-loss dielectric (eg Teflon or quartz glass) is likewise coupled to the broad side. The dielectric also serves as a vacuum-tight microwave window for ensuring the same wavelengths in both waveguides, the second waveguide is reduced in width according to the value of the relative dielectric constant of the dielectric in width. By the use of flat waveguides shown here, of which the second waveguide is incorporated into the wall of a metal recipient 15, this embodiment can be extremely simple and compact and adapted well to curved lines of the plasma (ζ Β recipient walls) The distributed coupling of the waveguides is implemented similarly as in the exemplary embodiment II through holes in the common partition wall of the waveguide in the middle of these holes are metallic screws 7, which are in threaded blind holes in the dielectric The variation of the coupling is by inserting or unscrewing the For this purpose are located in the opposite side of the leading waveguide 1 cylindrical small, microwave-dense channels for passing through appropriate tools or even holes 16 that can be closed during operation with metallic plugs A disadvantage of this embodiment is the slightly reduced power handling

Ausführungsbeispiel VEmbodiment V

Diese Ausfuhrungsform nach Fig 6 besteht aus zwei konzentrischen Koaxialleitern, von denen die innere Koaxialleitung der die Mikrowellen heranführende Wellenleiter 1 ist Die Hohlräume der Wellenleiter sind mit einem Dielektrikum ausgefüllt Die verteilte Kopplung wird durch Locher 8 im mittleren Leitungsrohr 17 realisiert, in deren Zentrum metallische Gewindestifte 7 in im Dielektrikum befindlichen, vom Außenrohr 18 bis in die Nahe des Innenleiters 19 reichenden Gewindelochern sitzen Durch Verstellung der Position dieser Gewindestifte wird der Kopplungsgrad eingestellt Die dazu notwendigen Locher im Außenleiter können bei Bedarf durch einen Gewindebolzen aus dielektrischem Material mit metallischem Kopf verschlossen werden Das Plasma entsteht an einem Langsschlitz 20 auf der den Koppelstellen gegenüberliegenden Seite des Außenleiters Durch diese Lage des Plasmas wird eine zusatzliche Verschiebung des Einflusses der diskreten Koppelstellen auf die Plasmalangshomogenitat erreicht Durch die Verwendung der Koaxialtechnik kann diese Ausfuhrungsform in den Abmessungen besonders klein gehalten werden Außerdem ist dadurch ein flexibler Aufbau dieser Ausfuhrungsform zur Erzeugung beliebig gekrümmter Plasmen möglich, wobei aber dann die geringere elektrische und thermische Belastbarkeit zu beachten ist Ebenso ist in gewissen Grenzen eine krummlinige Anordnung des Plasmas auf dem Außenmantel möglichThis embodiment of Figure 6 consists of two concentric coaxial conductors, of which the inner coaxial of the microwave waveguide leading waveguide 1 The cavities of the waveguides are filled with a dielectric The distributed coupling is realized by holes 8 in the middle conduit 17, in the center metallic threaded pins By adjusting the position of these setscrews, the degree of coupling is adjusted The necessary hole in the outer conductor can be closed if necessary by a threaded bolt of dielectric material with a metallic head Das Das in der Dielektrikum., From the outer tube 18 in the vicinity of the inner conductor 19 reaching Plasma is formed at a longitudinal slit 20 on the side of the outer conductor opposite the coupling points. This position of the plasma achieves an additional shift in the influence of the discrete coupling points on the plasma homogeneity By using the coaxial technique, this embodiment can be kept particularly small in dimensions In addition, a flexible design of this embodiment for generating arbitrarily curved plasmas is possible, but then the lower electrical and thermal load capacity is observed Similarly, within certain limits, a curvilinear arrangement of the plasma on the outer jacket possible

Claims (8)

1. Einrichtung zur Erzeugung eines Mikrowellenplasma mit großer Ausdehnung und Homogenitat in der zu nutzenden Plasmazone, dadurch gekennzeichnet, daß an einen ersten Wellenleiter (1), der die Wellenenergie heranfuhrt, ein zweiter Wellenleiter (2) parallel angekoppelt ist, daß an der Koppelstelle ein oder mehrere variabel einstellbare Koppelelemente (7) und (8) vorhanden sind, und daß der Plasmaraum an den zweiten Wellenleiter (2) angekoppelt ist.1. A device for generating a microwave plasma with high expansion and homogeneity in the plasma zone to be used, characterized in that a second waveguide (2) is coupled in parallel to a first waveguide (1), which leads the wave energy, that at the coupling point a or a plurality of variably adjustable coupling elements (7) and (8) are present, and that the plasma chamber is coupled to the second waveguide (2). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wellenleiter die gleiche Leitungswellenlange aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the first and the second waveguide has the same conduction wavelength. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wellenleiter Rechteckwellenleiter sind, die eine gemeinsame Wandung aufweisen.3. Device according to claim 1, characterized in that the first and the second waveguide are rectangular waveguide having a common wall. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wellenleiter Rechteckleiter sind und der Plasmaraum an die Schmalseite des zweiten Wellenleiters angekoppelt ist.4. Device according to claim 1, characterized in that the first and the second waveguide are rectangular conductors and the plasma chamber is coupled to the narrow side of the second waveguide. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter den ersten umschließt und der Plasmaraum außen angekoppelt ist.5. Device according to claim 1, characterized in that the second waveguide surrounds the first and the plasma chamber is externally coupled. 6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter ein dielektrischer Wellenleiter oder ein mit Dielektrikum ausgefüllter Wellenleiter ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second waveguide is a dielectric waveguide or dielectric filled with a waveguide. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter gleichzeitig als Mikrowelleneintrittsfenster in das Plasma dient.7. Device according to claim 6, characterized in that the second waveguide serves simultaneously as a microwave entrance window into the plasma. 8. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Einrichtungen parallel angeordnet sind, derart, daß sich die einzelnen erzeugten Plasmazonen in der zu nutzenden Zone zu einem weitgehend homogenen Plasma vereinigen.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of such devices are arranged in parallel, such that unite the individual plasma zones generated in the zone to be used to a substantially homogeneous plasma.