-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas und insbesondere für die Optimierung der Übertragung von elektromagnetischer Leistung von einem Hochfrequenzgenerator in das Gasplasma. Die Leistungsübertragung wird optimiert, indem zwei oder mehr parallele, überlappende und versetzte Anregungsspulen verwendet werden, die seriell in einer Anordnung verbunden sind, die einen Generator, ein Hochfrequenzkabel, ein Anpassungsnetzwerk und eine Spule umfasst. Eine derartige Verbindung der Spulen weist verschiedene Vorteile gegenüber bekannten Anordnungen auf, wobei etwa die Leistungseffizienz des Generators erhöht wird, das Plasma in dem Entladungsgefäß homogener ist, die an dem Generator für die Erzeugung des Plasmas erforderliche Spannung niedriger ist und gleichzeitig durch eine kapazitive Kopplung in dem Plasmasystem verursachte Nebeneffekte reduziert sind.
-
Plasmen haben sich während der letzten Jahrzehnte zur Grundlage von zahlreichen modernen Techniken entwickelt. Es sind thermisch und thermodynamisch unausgeglichene Plasmen bekannt. Ein thermisches Plasma, in dem sich die Gasteilchen in einer thermodynamischen Balance befinden, wird für das Plasmaschneiden und -schweißen, für die Synthese von Keramiken, für die Zersetzung von gefährlichen chemischen Abfällen, für das Plasmasprühen von dicken Schutzbeschichtungen auf Werkzeuge und Maschinen usw. verwendet. Die Nachfrage nach umweltfreundlichen Techniken hat zu der Entwicklung von neuen Prozessen für die Behandlung von Materialien geführt, in denen thermodynamisch unausgeglichene Plasmen verwendet werden. Einige Beispiele hierfür sind: Vakuumprozesse zum Auftragen von dünnen Schichten, die Beleuchtungsbranche, die Lasererzeugung, Mikroelektronik, Makroelektronik wie etwa Plasmabildschirme, die Mikrobehandlung von Silizium wie etwa die Herstellung von Silizium-Drucksensoren, die Herstellung von Speicherelementen usw. Zahlreiche weitere Beispiele können in der Kraftfahrzeug-, Optik- und Rüstungsbranche sowie in der Biomedizin gefunden werden.
-
Verschiedene Typen von thermodynamisch unausgeglichenen Plasmen werden für die Plasmabehandlung von Oberflächen von Materialien verwendet und können durch verschiedene Typen von Entladungen in Gasen angeregt werden. Der Übergang eines Gases zu einem Plasma oder eine Entladung können erzielt werden, indem das Gas einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Das Gas, durch das der elektrische Strom fließt, wird teilweise ionisiert, sodass also freie Elektronen und Ionen neben neutralen Teilchen vorhanden sind. Freie Elektronen können in dem elektrischen Feld beschleunigt werden und können durch Kollisionen mit Atomen oder Gasmolekülen veranlassen, dass das Atom oder Molekül von dem grundlegenden thermodynamisch ausgeglichenen Zustand zu anderen angeregten Zuständen wechselt.
-
Die Entladungstypen lassen sich anhand der Frequenzen des elektrischen Felds, mit dem das Plasma angeregt wird, kategorisieren: Gleichstrom-Koronaentladung 50–450 kHz, Hochfrequenzentladung 5–100 MHz, isotrope Mikrowellenentladung ohne Magnet 2,45 GHz und ECR-Entladung mit Magnet 2,45 GHz.
-
Bei einem Hochfrequenzplasma (nachfolgend auch einfach als HF-Plasma bezeichnet) werden vor allem zwei branchenübliche Frequenzen von 13,56 MHz und 27,12 MHz verwendet. HF-Plasmen lassen sich in Abhängigkeit von dem für die Erzeugung des elektrischen Felds verwendeten Verfahren in kapazitiv und induktiv gekoppelte Plasmen unterteilen. Bei einer kapazitiven Kopplung werden Elektroden oder ein Kondensator für die Erzeugung des elektrischen Felds verwendet, und bei einer induktiven Kopplung wird eine Anregungsspule verwendet.
-
Für ein induktiv gekoppeltes Plasma sind zwei Betriebstypen bekannt: ein E-Typ und ein H-Typ. Eine hohe Lichtemission, eine niedrige Elektronendichte und eine relativ hohe Elektronentemperatur sind kennzeichnend für eine Entladung in dem induktiv gekoppelten Plasma, wenn niedrigere Anregungsleistungen verwendet werden. Weil dabei die kapazitive Komponente der HF-Leistungsübertragung in das Plasma vorherrscht, wird dieser Typ als E-Typ bezeichnet. Wenn der kritische Wert durch eine Erhöhung der HF-Anregungsleistung erreicht wird, werden die Leuchtstärke des Plasmas und die Dichte der Elektronen unmittelbar erhöht und wird die Elektronentemperatur etwas vermindert. Bei diesem Betriebstyp herrscht das induktive Verfahren der HF-Leistungsübertragung in das Plasma vor, sodass er als H-Typ bezeichnet wird. In dem H-Typ, der relativ einfach in kleineren Plasmareaktoren zu erzielen ist, wird das Plasma in einem kleinen Volumen innerhalb der Anregungsspule oder in Nachbarschaft zu der Anregungsspule konzentriert. Ungelöst bleibt jedoch das Problem der Erzeugung eines gleichmäßig verteilten, induktiv gekoppelten HF-Plasmas in größeren Reaktoren des H-Typs, die insbesondere für die Industrie interessant sind.
-
Große Plasmareaktoren für ein induktiv gekoppeltes HF-Plasma werden in der Industrie in verschiedenen Prozessen für die Behandlung von Oberflächen verwendet, die in den folgenden Druckschriften beschrieben werden:
WO 2004098259 A3 ,
EP 1828434 A1 ,
US 2010024845 A1 usw.
-
Die meisten dieser Prozesse erfordern ein Plasma mit der größtmöglichen Dichte von Ionen oder neutralen Atomen. Wenn man eine große Dichte von neutralen Atomen oder Ionen mit einem bestimmten Druck erzielen möchte, sollte das Plasma mit der höchstmöglichen Leistung angeregt werden, wobei wie in dem Patent Nr.
SI 21903 A angegeben der Plasmareaktor aus einem Material mit niedrigem Rekombinationskoeffizienten gebaut werden sollte, um eine hohe Dissoziation des Gases sicherzustellen.
-
Für eine maximale Übertragung der Leistung von dem HF-Generator in das Plasma werden Anpassungsnetzwerke verwendet. Anpassungsnetzwerke bestehen aus seriell oder parallel angeordneten passiven Elementen wie Kondensatoren und Spulen. Beispiele hierfür finden sich in mehreren Druckschriften, wie etwa für kapazitiv gekoppelte HF-Plasmareaktoren in
EP 1812949 A2 ,
US 5815047 A und für induktiv gekoppelte Reaktoren in
US 2002130110 A1 ,
US 5689215 A usw.
-
Neben dem Anpassungsnetzwerk ist die Form der Anregungsspule bei dem induktiv gekoppelten HF-Plasma wichtig für die Leistungsübertragung zu dem Plasma und noch mehr für die Homogenität des Plasmas. Es existieren verschiedene Patente bzw. Druckschriften zu der Form des Anregungsplasmas. Zum Beispiel geben die Druckschriften
US 5578165 A und
US 2002096999 A1 Anregungsspulen und Verfahren zum Erzielen einer gleichmäßigeren Plasmadichte auf der planaren Achse an.
-
Eine in dem Patent
US 6184488 B1 angegebene LILAC-Anregungsspule ist eine planare Spule zum Erzeugen von großen Plasmaoberflächen. Die Spule weist eine niedrige Induktivität auf, wodurch Probleme mit der Anpassungsimpedanz und der maximalen Leistungsübertragung reduziert werden.
-
Die kapazitive Komponente der Übertragung einer HF-Leistung in das Plasma stellt häufig auch ein Problem bei einem induktiv gekoppelten Plasma dar. Obwohl das Plasma in dem durch die Spule erzeugten elektrischen Feld erzeugt wird, tritt auch eine kapazitive Komponente der Kopplung neben der induktiven Komponente auf, was jedoch zumeist unerwünscht ist. Es gibt zwei Lösungsmöglichkeiten für dieses Problem: die Verwendung einer faradayschen Abschirmung, die für eine planare Spule in
US 2002023899 A1 und für eine herkömmliche Spule in
WO 00/49638 A1 beschrieben wird, oder die Verwendung einer sogenannten schwebenden Spule. Die in
US 5683539 A beschriebene schwebende Spule reduziert die kapazitive Komponente der Kopplung, weil sie von dem Hochfrequenzgenerator und dem Anpassungsnetzwerk durch einen Transformator getrennt ist und sich deshalb auf einem schwebenden Potential befindet.
-
Es wurden umfangreiche Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten zu planaren, induktiv gekoppelten Reaktoren durchgeführt, weil diese in ihrer Form den zuerst entwickelten kapazitiv gekoppelten Reaktoren ähnlich sind.
-
Es bleiben jedoch viele noch nicht untersuchte und gelöste Probleme wie etwa die Übertragung einer maximalen Leistung, die Homogenität des Plasmas und die Verminderung der kapazitiven Kopplung in großen Plasmasystemen, in denen die Anregungsspule um das Rohr des Reaktors gewunden ist. Aufgrund eines großen Durchmessers der Spule kann die Induktivität schnell sehr hoch werden, was ein Problem für das Anpassungsnetzwerk oder für die Effizienz des Generators darstellt.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für die Optimierung der Übertragung von elektromagnetischer Leistung von einem Hochfrequenzgenerator in ein Gasplasma anzugeben. Die hier angegebene Vorrichtung basiert auf einer speziell entworfenen Anregungsspule, die zwei oder mehr parallel verbundene Spulen umfasst, die zueinander versetzt sind, sodass die Windungen der einzelnen Spulen einander nicht überlappen.
-
Die Vorrichtung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas wird mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
-
1 ist ein Vakuumdiagramm eines Plasmasystems.
-
2 zeigt einen Anregungsteil gemäß einer Ausführungsform.
-
3 zeigt eine doppelte Anregungsspule der Ausführungsform.
-
4 zeigt Messungen der Spannung an einer herkömmlichen Anregungsspule und an der doppelten Anregungsspule gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Leistung des Generators.
-
5 zeigt Messungen der Intensität des ausgestrahlten Lichts in der Mitte der herkömmlichen Anregungsspule und der doppelten Anregungsspule gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Spannung an der Anregungsspule bei einem Druck von 10 Pa.
-
6 zeigt Messungen der Intensität des ausgestrahlten Lichts in der Mitte der herkömmlichen Anregungsspule und der doppelten Anregungsspule gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Spannung an der Anregungsspule bei einem Druck von 40 Pa.
-
Das Diagramm von 1 zeigt den Vakuumteil des Plasmasystems gemäß der Ausführungsform. Das Vakuumsystem besteht aus einer Vakuumpumpe 1, einem Ventil 2, einem Lufteinlassventil 3, einem Quarzentladungsrohr 4, einer Absolutdruckmesseinrichtung 5, einem genauen Dosierungsventil 6 und einer Gasflasche 7. Die Vakuumpumpe 1 und das Gaszuführsystem mit dem Ventil 6 und der Gasflasche 7 stellen einen Druck in dem Entladungsrohr 4 zwischen 1 Pa und 104 Pa und vorzugsweise zwischen 10 Pa und 1000 Pa sicher. Das Entladungsrohr 4 der Ausführungsform ist wesentlich größer als in herkömmlichen Laborplasmasystemen, wobei sein Durchmesser 200 mm beträgt und seine Länge 2000 mm beträgt. Das Rohr ist aus Quarz ausgebildet und kann somit höheren Temperaturen standhalten, die durch Rekombinationen von Atomen und Neutralisierungen von geladenen Partikeln an den Wänden des Reaktors verursacht werden.
-
Der in 2 gezeigte elektrische Teil bzw. Anregungsteil der Vorrichtung besteht aus einem Hochfrequenzgenerator 8, einem Koaxialkabel 9, einem Anpassungsnetzwerk 10 und einer Anregungsspule 11, 12. Der Hochfrequenzgenerator 8 kann in dem Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 310 MHz betrieben werden. In der Ausführungsform wird ein 8-kW-Hochfrequenzgenerator 8 verwendet, der bei einer Frequenz von 27,12 MHz betrieben wird. Das Anpassungsnetzwerk 10 ist über das Koaxialkabel 9 mit dem Hochfrequenzgenerator 8 verbunden. Das Anpassungsnetzwerk 10 besteht aus zwei variablen Hochfrequenz-Hochspannungs-Vakuumkondensatoren, deren Kapazität mittels Servos unter der Steuerung des Hochfrequenzgenerators 8 geändert wird. Die Verbindung der Kondensatoren kann gewechselt werden, indem die Verbindungsplatte bewegt wird.
-
In der Ausführungsform ist die doppelte Anregungsspule 11, 12, die den zentralen Bestandteil der Erfindung ausmacht, mit dem Anpassungsnetzwerk 10 verbunden. Die doppelte Anregungsspule 11, 12 besteht aus zwei parallel verbundenen, überlappenden Anregungsspulen 11 und 12. Gemäß der Erfindung werden wenigstens zwei Anregungsspulen 11 und 12 verwendet, sodass also auch mehr als zwei Anregungsspulen verwendet werden können. Die Anregungsspulen 11 und 12 weisen beide den gleichen Durchmesser auf und überlappen einander, sodass sie dieselbe Achse aufweisen können und nur am Anfang und am Ende in Kontakt sind, wo sie mit dem Anpassungsnetzwerk verbunden sind. Die Anregungsspulen 11 und 12 müssen entlang der gemeinsamen Achse um 1/N der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen versetzt werden, wobei N gleich der Anzahl der Anregungsspulen 11, 12 ist. Wenn also zwei Anregungsspulen 11 und 12 vorgesehen sind, winden sich die Windungen der zweiten Anregungsspule 12 in der Mitte zwischen den Windungen der ersten Anregungsspule 11, sodass also die zweite Anregungsspule 12 entlang der gemeinsamen Achse um 1/2 der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen versetzt ist. Wenn drei Anregungsspulen 11, 12 verwendet werden, sind diese entlang der gemeinsamen Achse um 1/3 der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen versetzt, usw. Die Anregungsspulen 11, 12 müssen um wenigstens die Breite des Bandes jeder einzelnen Anregungsspule 11, 12 versetzt sein.
-
Die Anregungsspulen 11, 12 sind alle in derselben Richtung gewunden, sodass die Windungen jeder Anregungsspule 11, 12 parallel zu den Windungen jeder anderen Anregungsspule 11, 12 verlaufen. Obwohl also die Anregungsspulen 11, 12 einander überlappen, überlappen und kontaktieren die Windungen der einzelnen Anregungsspulen 11, 12 einander nicht. Weil alle Spulen denselben Durchmesser aufweisen, befinden sie sich in derselben Ebene. Die Anzahl der Windungen der einzelnen Anregungsspulen 11, 12 beträgt zwischen 2 und 100. Die Anzahl der Windungen an jeder Anregungsspule 11, 12 kann gleich sein, wobei aber auch andere oder zusätzliche Anregungsspulen 12 eine Windung weniger als die erste Anregungsspule 11 aufweisen können. Auch in diesem Fall gilt, dass die Windungen der Anregungsspulen 11, 12 einander nicht überlappen. Der einzige Grund für die eine Windung weniger an den anderen oder zusätzlichen Anregungsspulen 12 ist darin gegeben, dass die Gesamtlänge der doppelten Anregungsspule 11, 12 nicht mit der Anzahl N von Anregungsspulen 11, 12 größer wird, sodass also die Länge der doppelten Anregungsspule 11, 12 unabhängig von der Anzahl N gleich der Länge der ersten Anregungsspule 11 bleibt.
-
Die doppelte Anregungsspule 11, 12 ist aus einem Band mit einem Widerstand von höchstens 100 Ω für Gleichstrom ausgebildet, wobei die Breiten der Bänder, aus denen die einzelnen Anregungsspulen 11, 12 ausgebildet sind, gleich sind. Die Breite des Bands jeder einzelnen Anregungsspule 11, 12 beträgt zwischen 1 mm und 10 cm. Das Band ist um das Quarzentladungsrohr 4 gewunden, sodass es das Rohr mit einer möglichst großen Fläche berührt. Der Durchmesser D der einzelnen Anregungsspulen 11, 12, die die doppelte Anregungsspule 11, 12 bilden, ist also gleich dem Außendurchmesser des Rohrs und beträgt in der Ausführungsform 200 mm. Die Länge der Windungen jeder einzelnen Spule 11, 12 kann von dem Vielfachen eines Viertels der elektromagnetischen Wellenlänge, die von dem Hochfrequenzgenerator 8 ausgeht, um nicht mehr als 20% abweichen.
-
In der in 3 gezeigten Ausführungsform werden zwei parallele, überlappende Anregungsspulen 11, 12 verwendet, die aus einem 25 mm breiten und 0,4 mm dicken Kupferstreifen ausgebildet sind. Der Kupferstreifen ist derart um das Quarzentladungsrohr 4 gewunden, dass er das Rohr mit einer möglichst großen Fläche berührt. Die erste Anregungsspule 11 weist 5 Windungen auf, und die überlappende zweite Anregungsspule 12 weist 4 Windungen auf. Die Kupferstreifenwindungen der zweiten Anregungsspule 12 überlappen die Windungen der ersten Anregungsspule 11 nicht. Die Distanz zwischen den Rändern der Kupferstreifen der ersten Anregungsspule 11 und der zweiten Anregungsspule 12 beträgt in der Ausführungsform ungefähr 60 mm. Die Gesamtlänge der doppelten Anregungsspule 11 und 12 der Ausführungsform beträgt 800 mm.
-
In 4–6 sind Messungen in einem Sauerstoffplasma, das in einer herkömmlichen Anregungsspule 11 mit einer Länge von 800 mm und 5 Windungen erzeugt wird, im Vergleich zu Messungen in einem Plasma, das durch die doppelte Anregungsspule 11, 12 gemäß der Erfindung erzeugt wird, wiedergegeben.
-
4 zeigt Messungen der Spannung an den Verbindungen der herkömmlichen Anregungsspule 11 und der doppelten Anregungsspule 11, 12 gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Leistung des Hochfrequenzgenerators. Die Spannung an der doppelten Anregungsspule 11, 12 wurde mit einem Hochspannungs-Messfühler 13 gemessen und mittels eines Oszilloskops 14 gelesen. Die Kurven zeigen, dass eine höhere Spannung für die Übertragung derselben Leistung erforderlich ist, wenn nur die herkömmliche Anregungsspule 11 verwendet wird. Unter Verwendung der doppelten Anregungsspule 11 und 12 gemäß der Erfindung wird die Spannung im Vergleich zu der herkömmlichen Spule 11 reduziert, was in technischer Hinsicht sehr vorteilhaft ist.
-
Die Intensität des ausgestrahlten Lichts in der Mitte der Anregungsspule 11, 12 in Bezug auf die Spannung an der Anregungsspule 11, 12 und damit die Leistung des Hochfrequenzgenerators zeigt, dass das in der doppelten Anregungsspule 11, 12 gemäß der Erfindung erzeugte Plasma viel intensiver als das in der herkömmlichen Anregungsspule 11 erzeugte Plasma ist. 5 zeigt die Ergebnisse von Messungen der Intensität der Sauerstoffemissionslinien eines 777-nm- und 845-nm-Plasmas bei einem Druck von 10 Pa. Die Integrationszeit des optischen Spektrometers betrug 200 ms. Es ist zu beachten, dass die Intensität des ausgestrahlten Lichts des in der herkömmlichen Anregungsspule 11 erzeugten Plasmas ungefähr drei Mal niedriger ist als die Intensität des ausgestrahlten Lichts des in der doppelten Anregungsspule 11 und 12 mit den zwei parallelen, überlappenden Spulen 11, 12 erzeugten Plasmas.
-
6 zeigt dieselben Ergebnisse bei einem Druck von 40 Pa und einer Integrationszeit des Spektrometers von 100 ms. Die Differenz ist sogar noch deutlicher als bei dem Druck von 10 Pa. Die Intensität des Lichts in der doppelten Anregungsspule 11, 12 mit den zwei parallelen, überlappenden Spulen 11, 12 kann bei gleicher Spannung bis zu vier Mal höher sein als die Intensität des Lichts in der herkömmlichen Anregungsspule 11.
-
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung für die Anregung eines Hochfrequenz-Gasplasmas und insbesondere zum Übertragen einer elektromagnetischen Leistung von dem Hochfrequenzgenerator in das Gasplasma, wobei ein Hochfrequenzgenerator 8 in das System eingebunden ist, besteht aus einem Entladungsgefäß 4, um das eine Plasmaspule 11, 12 gewunden ist, einer Vakuumpumpe 1, einem genauen Dosierungsventil 6 und einer Gasflasche 7, wobei der Hochfrequenzgenerator 8, ein Anpassungsnetzwerk 10 und die Plasmaspule 11, 12 seriell verbunden sind. Die Plasmaspule 11, 12 besteht aus zwei oder mehr Spulen, die parallel verbunden sind, sodass die Windungen der Spulen einander nicht überlappen und um eine gemeinsame Achse gewunden sind, wobei die Windungen der zweiten Spule zwischen den Windungen der ersten Spule angeordnet sind. Alle Spulen 11, 12 sind aus einem Band mit einem Widerstand von höchstens 100 Ω für Gleichstrom ausgebildet, wobei die Breiten der Bänder, aus denen die einzelnen Spulen 11, 12 ausgebildet sind, gleich sind und die Breite des Bands jeder einzelnen Spule 11, 12 zwischen 1 mm und 10 cm beträgt. Die Spulen 11, 12 sind zueinander entlang der gemeinsamen Achse um 1/N der Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen, wobei N gleich der Anzahl der einzelnen Spulen ist, und wenigstens um die Breite des Streifens jeder einzelnen Spule 11, 12 versetzt. Jede einzelne Spule 11, 12 besteht aus wenigstens 2 und höchstens 100 Windungen. Die Anzahl der Windungen an allen Anregungsspulen 11, 12 ist entweder gleich, oder aber es weisen andere bzw. zusätzliche Anregungsspulen 12 eine Windung weniger auf als die erste Anregungsspule 11. Die Länge der Windungen jeder einzelnen Spule 11, 12 weicht von einem Vielfachen eines Viertels der elektromagnetischen Wellenlänge, die von dem Hochfrequenzgenerator 8 ausgeht, um nicht mehr als 20% ab. Der Hochfrequenzgenerator 8 wird in einem Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 310 MHz betrieben. Die Vakuumpumpe 1 und das Gaszuführsystem mit dem Ventil 6 und der Gasflasche 7 stellen einen Druck in dem Entladungsgefäß zwischen 1 Pa und 104 Pa und vorzugsweise zwischen 10 Pa und 1000 Pa sicher.
