DE4136297A1 - Vorrichtung zur lokalen erzeugung eines plasmas in einer behandlungskammer mittels mikrowellenanregung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen Erzeu­ gung eines Plasmas in einer Behandlungskammer mittels Mikrowellenanre­ gung, die durch einen in eine Wand einbaubaren Flansch oder die Wand selbst in einen äußeren und einen inneren Teil unterteilt ist, wobei am äußeren Teil eine Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung angeordnet ist, deren Mikrowellen über eine Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung zum in­ neren Teil hingeführt werden.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-Al-37 05 666, der DE-Al-35 21 318 oder der EP-Al-03 76 l41 bekannt.

Die DE-Al-37 05 666 beschreibt eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas und zur Behandlung von Substraten mit einer Kammer aus metal­ lischen Wänden; in diese Kammer werden Mikrowellen eingekoppelt und an den metallischen Wänden reflektiert. Mittels Dauermagneten, die in der Nähe des zu beschichtenden Substrats angeordnet sind, wird innerhalb der Kammer bei geeignetem Druck eine Elektronen-Zyklotron-Reso­ nanz (EZR) erzeugt, die eine örtlich definierte Konzentration des Plasmas gestattet. Die Mikrowellen werden von einem Mikrowellensender außerhalb der Kammer ausgehend, über einen Mikrowellenleiter und einen Hornstrahler über ein Mikrowellenfenster aus Quarzglas in die Kammer eingestrahlt. Durch die Wahl eines niedrigen Gasdruckes und eines relativ großen Mikrowellenfensters soll ein spontanes Zünden im Fensterbereich vermieden werden. Diese Anordnung ist damit auf einen niedrigen Druckbereich festgelegt.

Die DE-Al-35 21 318 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln, insbesondere zum Beschichten, von Substraten mittels Plas­ maentladung. Um das Plasma möglichst nahe an das Substrat heranzu­ führen, ist eine Elektrode für die Erzeugung eines Plasmas oberhalb des Substrates angeordnet.

Die EP-Al-03 76 141 gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kunst­ stoffbeschichtung von Stangenprofilen an. Nach dieser Vorrichtung wer­ den die Stangenprofile kontinuierlich durch einen Reaktor (Kammer) geführt, wobei ein Monomer mit Hilfe eines durch Mikrowellen erzeugten Plasmas auf dem Stangenprofil polymerisiert wird. Die außerhalb des Reaktors mit einem Magnetron erzeugten Mikrowellen werden über einen Hohlleiter einem Hornstrahler zugeführt, an dessen Ende sich ein Quarzfenster zur Einspeisung der Mikrowellen in den Reaktor befindet. Mit Hilfe von stationären Magneten wird das Plasma gürtelförmig einge­ schnürt und das Stangenprofil durch dieses Plasma hindurchgeführt.

Schließlich ist aus der US-PS 44 33 228 eine Plasmavorrichtung be­ kannt, mit der ein Plasma-Ätzverfahren durchgeführt wird. Das Plasma wird durch Mikrowellen erzeugt, die, ausgehend von einem Mikrowellenge­ nerator, über einen Wellenleiter in eine Vakuum-Behandlungskammer ein­ gekoppelt werden, wobei die Behandlungskammer gegen den Wellenleiter über ein Fenster aus Aluminiumoxid oder Quarzglas abgedichtet ist.

Es hat sich gezeigt, daß das Einkoppeln von Plasma mittels Mikrowellen über einen Hornstrahler und ein Quarzglasfenster bei höherem Druck zu erheblichen Schwierigkeiten führt, da infolge der Zündung des Plasmas am Fenster sich dieses auf der Innenseite der Kammer beschlägt. Das entstehende Plasma schirmt die Mikrowelle ab und verhindert ein tiefes Eindringen der Mikrowellen in die Kammer. Damit ist es nicht möglich, die Mikrowellen bei höheren Drücken gezielt in Bereiche der Kammer zu führen, in denen mit dem Plasma, beispielsweise zum Beschichten von Gegenständen, gearbeitet werden soll.

Solche Mikrowellen-Einkoppel-Fenster haben weiterhin den Nachteil, insbesondere in Druckbereichen von 10 mbar bis 10 (exp - 2) mbar, daß die eingekoppelten Mikrowellen im Bereich des Fensters besonders in­ tensiv sind, da die Feldstärke in diesem Bereich am größten ist. Bei großen Rezipienten ergibt sich damit keine homogene Plasma-Verteilung. Zusätzlich kann eine Erhitzung des Fensters und ein Absputtern der Fensteroberfläche auftreten. Durch das Zünden von Plasmen im Fenster­ bereich wird zusätzlich die Einkopplung von Mikrowellen abgeschirmt, da sich das Plasma ab einer bestimmten Ladungsträgerdichte wie eine leitende Wand, die für Mikrowellen undurchlässig ist, verhält.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur lokalen Erzeugung eines Plasmas in einer Behandlungskam­ mer mittels Mikrowellen anzugeben, bei der die Mikrowellen gezielt an beliebigen Stellen der Behandlungskammer eingekoppelt werden können, mit der das Plasma gegebenenfalls an gewünschten Stellen im Reaktor erzeugt werden kann, und die ein Mikrowellen-Einkoppel-Fenster nicht erfordert.

Gelöst wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebe­ nen Art dadurch, daß die Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung einen durch den Flansch hindurchführenden äußeren Führungshohlleiter aus isolier­ endem Material aufweist, in dem ein Innenleiter aus Metall verläuft, wobei die Mikrowellen von der Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung in den Innenleiter eingekoppelt werden. Durch die erfindungsgemäße Anord­ nung erfolgt die Einkoppelung der Mikrowellen über einen Führungshohlleiter, bevorzugt ein Rohr aus einem dielektrischen Material, wie Glas, in dessen Innenbereich sich ein metallischer Lei­ ter befindet. Die Ausbreitung der Mikrowelle erfolgt als koaxialer Wellentyp vorzugsweise im Zwischenraum zwischen dem Innenleiter und dem erzeugten Plasma. Die Mikrowellen breiten sich in diesem Führungs­ hohlleiter analog den Gesetzen im koaxialen Wellenleiter weiter aus, wobei das umgebende Plasma die Funktion des Außenleiters übernimmt. Die Konzentration des Plasmas entlang der Mantelfläche des Führungs­ hohlleiters kann durch geeignete Formgebung (Taperung) des Führungs­ hohlleiters, des Innenleiters und eventueller Abschirmungen beeinflußt werden. Durch Abschirmung des Führungshohlleiters an definierten Be­ reichen, kann die auf der Oberfläche des Rohres entstehende Plasmazone auf gewünschte Bereiche konzentriert werden. In einem solchen Fall übernimmt dann der äußere, aus Metall bestehende Mantel die Funktion des Außenleiters und verhindert in dieser Zone das Austreten von Mikrowelle in die evakuierten Bereiche der Behandlungskammer, wo an­ sonsten ein Plasma erzeugt werden würde. Ferner kann die Mikrowel­ len-Einkoppeleinrichtung so gestaltet werden, daß der metallische Außenleiter bzw. die Abschirmungen im Innern des Führungshohlleiters angebracht werden und der Innenleiter, gestützt oder freitragend, kon­ zentrisch oder exzentrisch innerhalb des Außenleiters bzw. der Ab­ schirmungen verläuft. Ein zusätzliches Einkoppelfenster in der Wand der Kammer oder des Rezipienten, um die Mikrowellen von der Mikrowel­ len-Erzeugungseinrichtung in die Behandlungskammer einzukoppeln, das beschlagen könnte, ist nicht erforderlich.

Die gesamte Vorrichtung ist an einem Flansch montiert, vorzugsweise ein Norm-Flansch, so daß sie in eine entsprechende Aufnahme einer Be­ handlungskammer eingesetzt werden kann. Alle Bauteile, die die Mikro­ wellen-Erzeugungseinrichtung betreffen, sind an der Außenseite des Flansches und damit an der Außenseite der Behandlungskammer gut zu­ gänglich angeordnet und können dort ausgetauscht oder gewartet werden. Die Versorgung, beispielsweise die Stromversorgung oder die Steuer- und Regeleinrichtungen, kann separat untergebracht werden. Mit dieser Anordnung wird die Möglichkeit gegeben, die Vorrichtung als leicht auswechselbares Modul an jeder beliebigen Stelle des Rezipien­ ten anzuflanschen. Weiterhin können zur Erzeugung von Plasmafeldern mehrere solcher Vorrichtungen nebeneinander in einem Rezipienten ange­ ordnet werden, um beispielsweise flächige Teile zu behandeln. Die Mon­ tierung der Anordnung an einem Flansch kann entfallen, falls die An­ ordnung direkt in die Wand eines Rezipienten eingebaut wird. Diese Vorrichtung kann auch als variabl einsetzbares Modul aufgebaut sein.

Um die Anordnung ausreichend zu kühlen, kann ein Ringraum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter (Führungshohlleiter) gebildet werden, der sich unter Atmosphärendruck befindet, in den Kühlgas oder Kühl­ flüssigkeit eingeleitet wird. In diesen Ring können auch zusätzliche Meßelemente zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden.

Um ein gleichmäßiges Plasmafeld um den Führungshohlleiter herum zu erhalten, wird in einer vorteilhaften Ausbildung ein im Querschnitt kreisförmiger Führungshohlleiter eingesetzt, der dann vorzugsweise koaxial zu dem Innenleiter angeordnet wird.

Bevorzugt wird in dem Führungshohlleiter ein Druck aufrechterhalten, der gegenüber dem Druck in der Behandlungskammer unterschiedlich ist, wobei in der Behandlungskammer ein Niederdruck eingestellt wird. Hier­ durch ergibt sich der Vorteil, daß die Plasmaerzeugung gezielt im Außenbereich des Führungsrohres erfolgt.

Falls es erforderlich ist, das Plasma nicht über die gesamte Länge des Führungshohlleiters zu bilden, können bestimmte Bereiche des Führungs­ hohlleiters abgeschirmt werden, so daß an diesen Stellen die Bildung des Plasmas verhindert wird. Diese Abschirmung kann in Form von einer oder mehreren Metallhülsen erfolgen, die wahlweise auf der Außenseite oder Innenseite des Führungshohlleiters aufgesteckt bzw. eingeschoben werden; es ist aber auch möglich, diese Abschirmung durch eine Me­ tallisierung zu erreichen.

Eine solche Abschirmung wird bevorzugt als fester Bestandteil im Be­ reich des Flansches auf der Reaktor-Innenseite angrenzend, aufge­ bracht, da in diesem Bereich des Rezipienten üblicherweise die Bildung des Plasmas verhindert werden soll. Diese Metallummantelung dient dann in diesem Bereich als Mikrowellenführung.

Der Innenleiter kann Hohlräume aufweisen oder als Hohlrohr ausgebildet sein. In solchen Hohlräumen können Permanent-Magnete eingesetzt wer­ den, um auch bei niedrigen Drücken im Außenbereich ein Plasma über die Elektronen-Zyklotron-Resonanz zu zünden. Die Magnetfelder führen außerdem zu einem verbesserten Einschluß des Plasmas (Konzentrations­ effekt). Besonders gut eignen sich kleine Stabmagnete, deren Pole, in Richtung des Führungshohlleiters oder aber auch senkrecht dazu ange­ ordnet werden.

Bevorzugt wird als äußeres Führungsrohr ein Glasrohr eingesetzt, das sich beispielsweise durch seine hohe Temperaturbeständigkeit und Sput­ terfestigkeit auszeichnet. Auch dielektrische Materialien wie Teflon, Keramik, Glas und spezielle Kunststoffe, die einen geringen Mikrowel­ lenverlustfaktor aufweisen, sind geeignet.

Sowohl der Durchmesser des Innenleiters als auch der Durchmesser des Außenleiters bzw. Führungshohlleiters können in deren Längsrichtung verändert werden, um dadurch die Plasmadichten entlang des Außenlei­ ters zu beeinflussen. Durch die Wahl der Durchmesser des Innenleiters und des Außenleiters kann festgelegt werden, ob die Ausbreitung der Mikrowelle vorzugsweise als Leitungswelle (Außenleiterdurchmes­ ser 60 mm) oder in Form höherer koaxialer Moden (Außenleiterdurch­ messer < 60 mm) erfolgt. Bei geeigneter Wahl der Außenleiter-Durchmes­ ser kann auf den Innenleiter auch ganz oder teilweise verzichtet wer­ den. Ferner kann der Innenleiter aus dielektrischem Material bestehen und auch nichtzylindrische Querschnitte besitzen.

Falls der Innenleiter kürzer als der Führungshohlleiter ausgebildet wird, ergibt sich der Vorteil, daß in der äußeren Zone des Führungs­ hohlleiters, der kein Innenleiter zugeordnet ist, eine diffuse, in Richtung der Längsachse abnehmende Plasmazone erzeugt werden kann.

In einer einfachen Ausführungsform wird der äußere Führungshohlleiter an seinem einen Ende über ein flanschartiges Führungselement in dem einbaubaren Flansch gehalten, so daß er in einfacher Weise austausch­ bar ist. An diesen Innenflansch kann gleichzeitig an der Außenseite des Haupt-Flansches, der in den Rezipienten eingebaut wird, die Mikro­ wellen-Erzeugungseinrichtung angebaut werden. Dieses als Zwischen­ flansch dienende Führungselement kann vakuumdicht an dem Haupt-Flansch angeschweißt werden, so daß keine zusätzliche Abdichtung erforderlich ist.

Als Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung hat sich ein Magnetron bewährt, von dem ausgehend die Mikrowellen über einen Hohlleiter und ein geeignetes Übertragungsteil in das koaxiale Leitungssystem eingekop­ pelt werden. Bei Verwendung einer Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung mit koaxialem Ausgang kann dieser auch direkt koaxial an das koaxiale Lei­ tungssystem angeschlossen werden, so daß die Achse des Hohlleiters mit der Achse der Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung zusammenfällt. Da die Mikrowellenleistung mit der beschriebenen Anordnung nahezu vollständig in das Plasma eingekoppelt werden kann, kann auf den Einbau zusätz­ licher Bauelemente, wie z. B. einer Richtungsleitung, verzichtet werden.

In einem einfachen konstruktiven Aufbau wird als Mikrowellen-Führungs­ teil ein Kegel aus Metall oder ein Kegel mit einer metallisierten Ke­ gelfläche verwendet, der, je nach der Schräge der Kegelfläche, die Mikrowellen um bis zu 90° umlenkt; in Verbindung mit einem solchen Kegel als Mikrowellen-Führungsteil wird in einer bevorzugten Aus­ führungsform der Innenleiter durch den Flansch zur Außenseite hin ver­ längert hindurchgeführt und der Kegel auf den Innenleiter aufgesteckt. Ein solcher Kegel bzw. ein solches Mikrowellen-Führungsteil kann in dem Hohlleiter direkt untergebracht werden.

Bei Anwendung der Vorrichtung in Druckbereichen < 0,1 mbar können durch zusätzliche äußere Magnete Plasmen unter Ausnutzen der ECR-Effekts gezündet werden. Diese Magnete werden bevorzugt derart angebracht, daß sie den Führungshohlleiter, vorzugsweise aus Glas, ganz oder teilweise umschließen und einen oder mehrere über die Länge des Führungshohlleiters verlaufende Spalt freilassen, im Bereich des­ sen das Plasma gebildet wird. Die Anordnung kann auch so gewählt wer­ den, daß in einem metallischen Rohr eine oder mehrere über die Länge des Führungshohlleiters verlaufende Spalte ausgeführt sind, in deren Bereich das Plasma gebildet wird. Um das Plasma den Bedingungen in der Behandlungskammer anpassen zu können, kann die Breite des Spaltes entlang des Führungshohlleiters variieren. Falls der Spalt derart ausgebildet ist, daß er vom Flansch aus gesehen zunimmt, können Verluste in der Stärke entlang des Führungshohlleiters ausgeglichen werden.

Um großflächige Plasmafelder zu erzeugen, werden mehrere Führungshohl­ leiter in die Behandlungskammer eingesetzt, die jeweils mit einer Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung in Verbindung stehen; Um die Anord­ nung zu vereinfachen, werden diese Führungshohlleiter bevorzugt von einer Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung versorgt.

Mehrere lineare Führungshohlleiter können parallel zueinander angeord­ net und durch entsprechende Magnete umgeben werden, so daß ein gleich­ mäßiges Plasma hoher Dichte erhalten wird.

Weiterhin kann ein Schutzrohr vorgesehen sein, das auf der Außenseite des Führungsrohres aufgesteckt ist. Ein solches Schutzrohr kann beispielsweise aus Quarzglas gebildet sein, das verhindert, daß sich Niederschläge direkt auf dem Führungshohlleiter abscheiden. Sollte ein solches Schutzrohr stark verschmutzt sein, so daß Mikrowelle absorbiert wird, wird es gegen ein neues Schutzrohr ausgetauscht, so daß die Anlage wieder ihren ursprünglichen Wirkungsgrad erhält.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung eines Plasmas in einer Behandlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen Schutz­ rohr,

Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem verkürzt ausgebildeten Innenleiter, wobei außerdem gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 die Durchführung durch den Flansch vereinfacht ist,

Fig. 4 die Vorrichtung nach Fig. 1, die auf ihrer der Einbauseite gegenüberliegenden Seite aus der gegenüberliegenden Seiten­ wand der Behandlungskammer herausgeführt ist,

Fig. 5 schematisch die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem konisch zum Ende hin zulaufenden Innenleiter,

Fig. 6 schematisch die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem konisch zum Ende hin zulaufenden Führungshohlleiter,

Fig. 7 schematisch die Vorrichtung nach Fig. 1, die in ihrer Mitte zur Achse einen seitlichen Versatz aufweist,

Fig. 8 die Vorrichtung nach Fig. 1 im Bereich der Durchführung durch die Wand der Behandlungskammer, wobei gegenüber der Ausfürungsform nach Fig. 1 im Bereich der Durchführung eine Innenabschirmung eingesetzt ist,

Fig. 9 einen Führungshohlleiter, bei dem auf der Außenseite teil­ weise eine Abschirmung aufgesetzt ist,

Fig. 10 einen Führungshohlleiter, der in Längsrichtung teilweise von einer Abschirmung umgeben ist, wobei in diese Abschirmung stabförmige Magnete eingesetzt sind,

Fig. 11 die Vorrichtung nach Fig. 10, wobei die Feldlinien zwischen den Magneten angedeutet sind,

Fig. 12 eine Behandlungskammer, in der drei Vorrichtungen zur lokalen Erzeugung eines Plasmas übereinander eingesetzt sind, und

Fig. 13 eine Ansicht der Anordnung nach Fig. 12 aus Richtung des Sichtpfeiles XII in Fig. 12.

Die Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, besitzt einen Führungshohlleiter 2 aus Quarzglas, der koaxial und mit Abstand zu einem Innenleiter 3 aus Metall verläuft derart, daß zwischen dem Führungshohlleiter 2 und dem Innenleiter 3 ein Ringraum 4 verbleibt. Der Führungshohlleiter 2 wird im Bereich des Flansches 1 von einer Metallummantelung 5 umgeben, die sich beidseitig des Flansches 1 erstreckt. Diese Metallummantelung 5 dient als Wellenleiter für die Mikrowellen, die verhindert, daß im Bereich des Flansches 1 bereits ein Plasma gezündet wird. Auf der Außenseite des Flansches 1 ist der Führungshohlleiter 2 gegen die Metallummantelung 5 über eine 0-Ring-Dichtung 6 abgedichtet, die gegen einen an dem Ende des Führungshohlleiters 2 angesetzten, über den Außenumfang vorstehenden Kragen 7 einerseits und gegen die Stirnseite der Metallummantelung 5 andererseits anliegt. Ein flanschartiges Führungselement 8, das durch eine Schweißnaht 9 vakuumdicht an der Außenseite des Flansches 1 be­ festigt ist, dient zur Aufnahme eines Hohlleiters 10, an dessen einem Ende sich eine Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung 11 anschließt, die in Fig. 1 zusammen mit einer Energieversorgung 11′ schematisch darge­ stellt ist. Zwischen diesem flanschartigen Führungselement 8 und einem weiteren kleinen Flansch 10 ist eine weitere 0-Ring-Dichtung 13 einge­ setzt. Das flanschartige Führungselement 8 und der Flansch 12 des Hohlleiters 10 werden über einen Klemmring 14 gegeneinander verspannt. Der Hohlleiter 10, bevorzugt aus Glas, ist an dem einen Ende des Flansches 12 über ein Einschraubstück 15 befestigt, wobei zwischen diesem Einschraubstück 15 und dem Flansch 12 eine nicht näher darge­ stellte Dichtung eingefügt ist. Durch diesen Aufbau ist ein einfacher Wechsel des Hohlleiters 10 möglich; weiterhin kann der Führungshohl­ leiter 2 aus dem Flansch 1 in einfacher Weise entnommen werden. Der Flansch 1 seinerseits dient dazu, die gesamte Vorrichtung in die Wand 24 einer Behandlungskammer 25 einzusetzen, wie dies in Fig. 13 anhand von drei solcher Vorrichtungen gezeigt ist. Es ist ersichtlich, daß anstelle des Flansches 1 die jeweiligen Vorrichtungen direkt in der Wand 24 der Behandlungskammer 25 eingesetzt werden können, wobei dann der in der Zeichnung dargestellte Flansch 1 die Wand 24 der Be­ handlungskammer 25 darstellt.

Wie weiterhin in Fig. 1 zu sehen ist, ist der Innenleiter 3 über das Ende des Führungshohlleiters 2 hinaus verlängert und reicht durch den Hohlleiter 10 hindurch, wobei die Achse 16 des Führungshohlleiters 2 bzw. des Innenleiters 3 unter einem Winkel von 90° Grad zu der Achse 17 des Hohlleiters 10 verläuft. Auf das Ende des über den Führungshohlleiter 2 vorstehenden Endes des Innenleiters 3 ist ein kegelförmiges Teil 18 aufgesetzt derart, daß die Spitze des Kegels 18 zu dem Flansch 1 hin gerichtet ist. Das kegelförmige Teil 18 bzw. der Kegel ist innerhalb des Hohlleiters 10 angeordnet und liegt an der Innenseite der Wand 19 des Hohlleiters 10 an. Der Kegel 18 ist mittels einer an der Außenseite des Hohlleiters 10 anliegenden Gegenplatte 20 über Zylinderschrauben 21 verschraubt. Der Kegel 18 weist eine Schräge seines Kegelmantels 22 aus, die unter einem Winkel von 45° zu der Achse 16 des Führungshohlleiters 2 bzw. des Innenleiters 3 geneigt verläuft. Die Mikrowellen werden, von der Mikrowellen-Erzeugungsein­ richtung 11 ausgehend, in dem Hohlleiter 10 geführt und durch den schrägen Kegelmantel 22 in den Ringraum 4 zwischen dem Führungshohl­ leiter 2 und dem Innenleiter 3 eingekoppelt.

Der Innenleiter 3 ist hohl ausgebildet und reicht über die Gegenplat­ te 20 hinaus. Über das Innere des Innenleiters 3 kann ein Fluid zur Kühlung zugeführt werden; weiterhin können in diesen Hohlraum Meßele­ mente, beispielsweise ein Thermoelement zur Temperaturmessung, einge­ steckt werden.

Falls in der Behandlungskammer 25 ein Niederdruckplasma erzeugt wird, d. h. in der Behandlungskammer ein Druck zwischen 0,1 und 10 mbar herrscht, wird bevorzugt innerhalb des Führungshohlleiters 2 ein dazu unterschiedlicher Druck erzeugt, beispielsweise Atmosphärendruck, wodurch Plasma lediglich im Außenraum des Führungsrohres brennt.

Der Führungshohlleiter 2 besteht aus einem dielektrischen Material, bevorzugt Glas; für bestimmte Anwendungsfälle kann aber auch ein Keramikmaterial geeignet sein. In jedem Fall muß das Material des Führungshohlleiters 2 vakuumdicht sein.

Die Verwendung einer Mikrowellen-Erzeugungsvorrichtung 11, die Mikro­ wellen im GHz-Bereich erzeugt, hat den Vorteil gegenüber elektromagne­ tischen Wellen im MHz-Bereich, daß höhere Plasmadichten, die etwa um den Faktor 10 höher liegen, erzielbar sind.

Besonders vorteilhaft sind Mikrowellensender, die Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz abgeben, da solche Mikrowellensender be­ reits in Haushaltsherden in großer Anzahl Einsatz finden. Der einge­ setzte Mikrowellensender sollte im Bereich von 300 W bis 6 KW Leistung arbeiten.

Um zu verhindern, daß die Außenseite des Führungshohlleiters 2 durch Niederschläge verschmutzt wird, wird auf den Führungshohlleiter 2 ein Schutzrohr 26 aufgesteckt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, das den gesamten Führungshohlleiter 2 von seinem Ende bis zu der Metallumman­ telung 5 einhüllt. Als Material für das Schutzrohr 26 eignet sich Glas. Sollte das (Glas-)Schutzrohr 26 zu stark durch Niederschläge belegt sein, so daß eine gleichmäßige Plasmabildung nicht mehr gewähr­ leistet ist, wird das beschlagene Schutzrohr 26 durch ein neues Schutzrohr 26 ausgetauscht. Es wird erreicht, daß der Führungshohllei­ ter 2 selbst nicht gewechselt werden muß.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Durchführung und Halterung des Führungshohlleiters 2 durch den Flansch 1. Im Gegensatz zu der Aus­ führungsform nach Fig. 1 entfällt das flanschartige Führungselement 8 und die Verschweißung an der Außenseite des Flansches 1, wobei hier dann der weitere kleine Flansch 8 mittels der 0-Ring-Dichtung 6 ge­ dichtet mit dem Klemmring 14 gegen die Außenseite des Flansches 1 ver­ spannt wird. Gleichzeitig wird über den Klemmring 14 der Führungshohl­ leiter 2 gehalten.

Weiterhin ist in Fig. 3 eine Ausführungsform der Vorrichtung gezeigt, bei der der Innenleiter 3 wesentlich kürzer als der Führungshohllei­ ter 2 ist. Eine solche Ausbildung des Innenleiters kann dann erforder­ lich sein, wenn am Ende des Führungsrohres eine diffuse Plasmazone erzeugt werden soll.

Falls in einer Behandlungskammer 25 eine homogene Plasma-Verteilung zwischen den Wänden 24 der Kammer erforderlich ist, wird die Vorrich­ tung in der in Fig. 4 gezeigten Anordnung in die Behandlungskammer 25 eingesetzt. Hierbei führt der Führungshohlleiter 2 auf der der Einkop­ pelseite gegenüberliegenden Seite durch die dortige Wand 24 oder einen in der Wand eingesetzten Flansch gedichtet hindurch. Die für die Ab­ dichtung erforderlichen Teile sind nicht näher dargestellt. Es ist ersichtlich, daß in dieser Anordnung eine Plasmabildung entlang der Außenseite des Führungshohlleiters 2 von Wand zu Wand der Behandlungs­ kammer möglich ist.

In den Fig. 5 bis 7, in denen die Vorrichtungen nur auf der Innenseite des Flansches 1 gezeigt sind, sind verschiedene Variationen des Innen­ leiter 3 (Fig. 5), des Führungshohlleiters 2 (Fig. 6) sowie der gesam­ ten Mikrowellen-Einkoppel-Vorrichtung mit dem Innenleiter 3 und dem Führungshohlleiter 2 (Fig. 7) gezeigt.

In der Ausführungsform nach der Fig. 5 weist der Innenleiter 3 bis etwa zur Hälfte der Länge des Führungshohlleiters 2 einen gleichblei­ benden Durchmesser auf und läuft dann zum Ende des Führungshohllei­ ters 2 hin konisch zu, wodurch der Ringraum 4 zwischen dem Führungs­ hohlleiter 2 und dem Innenleiter 3 vergrößert wird. In dieser Ausbil­ dung des Innenleiters 3 nimmt die Konzentration des sich bildenden Plasmas zu Ende des Führungshohlleiters 2 hin ab, da die Intensität des elektromagnetischen Feldes auf der Außenseite des Führungsrohres abnimmt.

In Fig. 6 ist eine Ausführung gezeigt, bei der der Innenleiter 3 über seine gesamte Länge einen gleichbleibenden Durchmesser aufweist, während der Durchmesser des Führungshohlleiters 2 bis zur Hälte seiner Länge einen gleichbleibenden Durchmesser besitzt und dann zum Ende hin konisch zuläuft, so daß er im Bereich des Endes unmittelbar den Innen­ leiter 3 umschließt. Der Ringraum 4 wird hierdurch in seiner Größe zum Ende der Vorrichtung hin verkleinert. Diese Anordnung wirkt sich auf die Plasmabildung dahingehend aus, daß bedingt durch die zum Ende des Führungsrohres 2 hin zunehmende Feldstärke die Plasmadichte dort zu­ nimmt.

Um die Plasma-Verteilung in der Behandlungskammer 25 einem komplex geformten, beispielsweise zu beschichtenden Werkstück anzupassen, so daß entlang des Werkstückes eine homogene Plasmazone entsteht, kann der Führungshohlleiter 2 mit dem Innenleiter 3 beliebig in Längsrich­ tung gebogen werden, wobei eine einfache Geometrie in Fig. 7 darge­ stellt ist.

Die Geometrien des Innenleiters 3 und des Führungshohlleiters 2, wie sie in den Fig. 5 bis 7 dargestellt sind, können beliebig miteinander kombiniert werden, um homogene oder inhomogene Verteilungen des Plas­ mas in der Behandlungskammer 25 zu erreichen und die Plasmafelder den Geometrien der Werkstücke, die behandelt werden sollen, anzupassen.

In Fig. 8 ist die Durchführung der Vorrichtung durch den Flansch gezeigt, wie sie vorstehend bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 1 erläutert wurde. Gegenüber der Ausführung nach der Fig. 1 ist im Be­ reich der Durchführung durch den Flansch 1 ein inneres Metallrohr 27 in den Führungshohlleiter 2 eingesetzt, das als Wellenleiter dient und verhindert, daß sich in diesem Bereich ein Plasma entlang des Führungshohlleiters 2 bildet. Ein solches in den Führungshohlleiter 2 eingesetztes Metallrohr 27 bietet den Vorteil, daß die Metallummante­ lung 5, die ebenfalls als Wellenleiter in dem Bereich der Durchführung durch den Flansch 1 dient, eine fest vorgegebene Länge besitzt und die erforderliche Länge des Wellenleiters in diesem Bereich von Anwen­ dungsfall zu Anwendungsfall durch die entsprechende Wahl der Länge des eingesetzten Metallrohres 27 vorgenommen wird.

Aufgrund von Werkstückgeometrien kann es beispielsweise erforderlich sein, Plasmazonen entlang des Führungshohlleiters 2 nur in voneinander beabstandeten Abschnitten zu bilden. Dies wird dadurch erreicht, daß, wie in Fig. 9 gezeigt ist, entlang des Führungshohlleiters 2 Rohrab­ schnitte 28 aus Metall voneinander beabstandet aufgesetzt sind, die jeweils als Wellenleiter für die Mikrowellen in diesen Bereichen die­ nen, während im Bereich der Zwischenräume 29 ein Plasma gebildet wird. Mit solchen Rohrabschnitten 28, die beispielsweise auch Längsschlitze oder -spalte, die in Richtung der Achse 16 verlaufen, haben können, können die sich bildenden Plasmabereiche gezielt eingegrenzt werden.

Um in der Behandlungskammer Plasmazonen in definierten Bereichen zu bilden, können Führungshohlleiter 2 mit dem Innenleiter 3 anstelle der aufgesetzten Rohrabschnitte 28 nach der Fig. 9 in einen Metallträ­ ger 30 eingesetzt werden, der einen Spalt 31 aufweist, im Bereich des­ sen sich das Plasma bildet. In den übrigen Bereichen dient der Metall­ träger 30 als Wellenleiter. Wie aus den Fig. 10 und 11 ersichtlich ist, nimmt die Breite des Spaltes 31 zum Ende des Führungshohllei­ ters 2 hin zu, wodurch beispielsweise Intensitätsverluste zum Ende des Führungshohlleiters 2 hin kompensiert werden können. Um das Plasma zusätzlich entlang des Spaltes 31 zu verstärken und auf den Bereich des Spaltes 31 zu konzentrieren, sind in den Metallträger 30 beidsei­ tig des Spaltes 31 stabförmige Magnete 32 eingesetzt, wobei der Ver­ lauf der Feldlinien 33 zusätzlich in Fig. 11 gezeigt ist.

Die Fig. 12 veranschaulicht den Einsatz von drei Vorrichtungen, wie sie anhand der Fig. 1 bis 11 beschrieben wurden, die übeieinander in der Wand 24 der Behandlungskammer 25 eingebaut sind, wie die Fig. 13 zeigt. Mit dem Einsatz von mehreren solcher Vorrichtungen können sehr große, homogene Plasmafelder erreicht werden. Die einzelnen Führungs­ hohlleiter 2 können hierbei über einen gemeinsamen Hohlleiter 10 mit­ einander verbunden sein, an dessen einem Ende eine Mikrowellen-Erzeu­ gungseinrichtung 11 angeordnet ist.

In Fig. 9 sind in den Innenleiter 3 zusätzliche Stab-Magnete 34 einge­ setzt, die je nach Magnetisierungsrichtung eine Plasmaerzeugung längs des Führungsrohres 2 an den nicht durch Metallisieren abgeschirmten Bereichen auch bei niedrigen Drücken im Bereich von 0,001 mbar durch Ausnutzung der ECR-Bedingung bewirken.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beträgt der Außen-Durchmesser des Innenleiters 3,12 mm bei einer Wandstärke von 1 mm und der Außen-Durchmesser des Führungshohlleiters 2 beträgt 30 mm bei einer Wandstärke von 2,5 mm. Die über den Flansch 1 vorstehende Länge des Führungshohlleiters 2 beträgt etwa 500 mm. Der Durchmesser des Hohl­ leiters 10 beträgt 50 mm.

In den verschiedenen Figuren wurden verschiedene Ausführungsvarianten erläutert, wobei die verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten, wie sie gezeigt und erläutert wurden, untereinander kombinierbar sind. Weiterhin sind insbesondere die vorstehenden Erläüterungen zu Fig. 1 auf die anderen Figuren übertragbar, in denen die gleichen Bezugs­ zeichen wie für Fig. 1 verwendet sind.

Claims (33)

1. Vorrichtung zur lokalen Erzeugung eines Plasmas in einer Behand­ lungskammer mittels Mikrowellenanregung, die durch einen in eine Wand einbaubaren Flansch oder die Wand selbst in einen äußeren und einen inneren Teil unterteilt ist, wobei am äußeren Teil eine Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung angeordnet ist, deren Mikrowel­ len über eine Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung zum inneren Teil hingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowel­ len-Einkoppeleinrichtung einen durch den Flansch (1) hindurch­ führenden äußeren Führungshohlleiter (2) aus isolierendem Material aufweist, in dem ein Innenleiter (3) aus Metall verläuft, wobei die Mikrowellen von der Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung (11) in den Innenleiter (3) eingekoppelt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der In­ nenleiter (3) mit Abstand zu den Innenwänden des Führungshohllei­ ters (2) einen Ringraum (4) bildend angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungshohlleiter (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenleiter (3) und der Führungshohlleiter (2) koaxi­ al zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß in dem Führungshohlleiter (2) ein gegen einen Nierder­ druck in der Behandlungskammer (25) unterschiedlicher Druck er­ zeugt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der äußere Führungshohlleiter (2) auf seiner Außenseite zumindest teilweise eine Metallummantelung (5) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindes­ tens eine Metallummantelung (5) angrenzend an den Flansch (1) vor­ gesehen ist, die eine Mikrowellenführung bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenleiter (3) einen sich über seine Länge er­ streckenden Hohlraum aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der In­ nenleiter (3) ein Hohlrohr ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der äußere Führungshohlleiter (2) durch ein dielek­ trisches Rohr gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Führungshohlleiter (2) durch ein Glasrohr gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge des Innenleiters (3) kürzer als die Länge des Führungshohlleiter (2) ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser des Innenleiters (3) über seine Länge variiert.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser des Führungshohlleiters (2) über seine Länge variiert.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Führungshohlleiter (2) an seinem einen Ende über ein flanschartiges Führungselement (8) in dem einbau­ baren Flansch (1) gehalten ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch l5, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (8) an der Außenseite des Flansches (1) vakuum­ dicht angeschweißt ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung (11) über ein­ en Hohlleiter (9) angeschlossen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (9) mit seiner Achse (17) quer zur Achse (16) der Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung (2, 3) verläuft.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (9) mit seiner Achse (17) in Richtung der Achse (16) der Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung (2, 3) verläuft.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (17) als Hohlleiter (10) mit der Achse (16) der Mikrowel­ len-Einkoppel-Vorrichtung (2, 3) einen Winkel von 90° ein­ schließt .

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf die Außenseite des Führungshohlleiter (2) ein Schutzrohr (26) aus einem nichtleitenden Werkstoff aufgesetzt ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 2l, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (26) ein Rohr aus Quarzglas ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung (11) ein Mikrowellen-Führungsteil (2, 3) aufweist, das die Mikrowellen der Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung (11) in den Innenleiter (3) ein­ koppelt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrowellen-Führungsteil einen kegelförmiges Teil (18) aufweist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das kegelförmige Teil (18) in seiner Achse auf den Innenleiter (3) aufgesteckt ist, wobei der Innenleiter (3) durch den Flansch (1) zur Außenseite hin verlängert hindurchführt.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das kegelförmige Teil (18) in dem Hohlleiter (10) angeordnet ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Führungshohlleiter (2) teilweise von Mag­ neten (32) umgeben ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Mag­ nete (32) derart angeordnet sind, daß in Leitungsrichtung (Achs­ richtung) des Führungshohlleiters (2) ein Spalt (31) verbleibt, im Bereich dessen das Plasma erzeugt wird.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28 dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes (3l) entlang des Führungshohlleiters (2) vari­ iert.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes (31) vom Flansch (1) aus gesehen zunimmt.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekenn­ zeichnet, daß innerhalb des Führungshohlleiters (2) Magnete einge­ setzt sind.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Führungshohlleiter (2) vorgesehen sind, die jeweils mit einer Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung (11) in Ver­ bindung stehen.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Führungshohlleiter (2) von einer Mikrowellen-Erzeugungseinrich­ tung (11) gespeist werden.