WO2008046553A1 - Vorrichtung und verfahren zur lokalen erzeugung von mikrowellenplasmen - Google Patents

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WO2008046553A1
WO2008046553A1 PCT/EP2007/008840 EP2007008840W WO2008046553A1 WO 2008046553 A1 WO2008046553 A1 WO 2008046553A1 EP 2007008840 W EP2007008840 W EP 2007008840W WO 2008046553 A1 WO2008046553 A1 WO 2008046553A1
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microwave
dielectric
dielectric tube
plasma
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PCT/EP2007/008840
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Ralf Spitzl
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Iplas Innovative Plasma Systems Gmbh
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/3222—Antennas
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    • H01J37/32366—Localised processing

Definitions

  • the invention relates to a device for local generation of microwave plasmas, which has at least one microwave input, which is surrounded by at least one dielectric tube, and a method for the local generation of microwave plasmas by use of this device.
  • Devices for generating microwave plasmas are used in the plasma treatment of workpieces and gases.
  • the plasma treatment is used for.
  • the workpiece or gas to be treated is brought into contact with the plasma or the microwave radiation.
  • the geometry of the workpieces to be treated ranges from flat substrates, fibers and webs to moldings of any shape.
  • the most important process gases are noble gases, fluorine- and chlorine-containing gases, hydrocarbons, furans, dioxins, hydrogen sulfide, oxygen, hydrogen, nitrogen, tetrafluoromethane, sulfur hexafluoride, air, water and their mixtures.
  • the process gas from exhaust gases of all kinds in particular Kohlenmono ⁇ id, hydrocarbons, nitrogen oxides, aldehydes and sulfur oxides.
  • these gases can also readily be used as process gases for other applications.
  • the above-mentioned documents have in common that they describe a microwave antenna inside a dielectric tube. If microwaves are generated in the interior of such a tube, surface waves form along the outside thereof. These surface waves generate a linearly stretched plasma in a process gas which is under low pressure. Typical lower pressures are 0.1 mbar - 10 mbar.
  • the volume inside the dielectric tube is typically at ambient pressure (generally normal pressure, about 1013 mbar).
  • a cooling gas flow through the tube is used to cool the dielectric tube.
  • microwaves for the supply of microwaves, inter alia, waveguide and coaxial, as coupling points in the wall of the plasma chamber, inter alia, antennas and slots are used.
  • Such feed lines for microwaves and coupling points are described, for example, in DE 423 59 14 and WO 98/59359 A1.
  • the microwave frequencies used to generate the plasma are preferably in the range of 800 MHz to 2.5 GHz, more preferably in the ranges of 800 MHz to 950 MHz and 2.0-2.5 GHz, but the microwave frequency can be in the entire range of 10 MHz to some 100 GHz.
  • DE 198 480 22 A1 and DE 195 032 05 C1 describe devices for generating plasma in a vacuum chamber by means of electromagnetic alternating fields, with a conductor which projects inside a tube of insulating material in the vacuum chamber, wherein the insulating tube at both ends by walls the vacuum chamber is held and sealed against the walls on its outer surface. The ends of the conductor are connected to a generator for generating the electromagnetic alternating fields.
  • homogeneous microwave plasmas With a device for the production of homogeneous microwave plasmas according to WO 98/59359 A1, particularly homogeneous plasmas can be produced over long distances, even at higher process pressures, due to the uniform coupling of the microwaves.
  • these sources are typically operated with microwave power of about 1 - 2 kW at a correspondingly low pressure (about 0.1 - 0.5 mbar). Although the process pressures can be 1 mbar - 100 mbar, but only under certain conditions and correspondingly lower power, so as not to destroy the pipe.
  • the object of the present invention is to overcome the abovementioned disadvantages and thus to minimize the proportion of power loss.
  • a device for the local generation of microwave plasmas according to claim 1.
  • This device has at least one microwave feed, which is surrounded by at least one dielectric tube. At least one of the dielectric tubes is partially surrounded by a metal sheath, in which case preferably the outer dielectric tube is sheathed.
  • the device advantageously allows the generation of a plasma in a designated area and thus prevents plasma generation and thus a power radiation outside this range.
  • Suitable microwave feeds are known to the person skilled in the art.
  • a microwave feed consists of a structure that can radiate microwaves into the room. Structures that radiate microwaves are known to the person skilled in the art and can be implemented by all known microwave antennas and resonators with coupling points for coupling the microwave radiation into a room. Cavity resonators, rod antennas, slot antennas, helix antennas and omnidirectional antennas are preferred for the device described. Particularly preferred are coaxial resonators.
  • the Mikrow ⁇ ll ⁇ neinspeisung is connected in operation via microwave feed lines (waveguide or coaxial) with a microwave generator (eg klystron or magnetron).
  • a microwave generator eg klystron or magnetron
  • tuning elements eg Dreischuner or E / H tuner
  • mode converter eg, rectangular to coaxial
  • the dielectric tubes are preferably elongate. This means here that the ratio of pipe diameter: pipe length is between 1: 1 and 1: 1000, and preferably 1:10 to 1: 100. Furthermore, the tubes are preferably straight, but may also have a curved shape or corners along their longitudinal axis.
  • the cross-sectional area of the tubes is preferably circular, but generally any surface shapes are possible. Examples of other surface shapes are ellipses and polygons.
  • Elongated shape of the tubes requires an elongated plasma.
  • Elongated plasmas have the advantage that, by moving the plasma apparatus relative to a flat workpiece, large areas can be treated in a short time.
  • the dielectric tubes should have a low dielectric loss factor tan ⁇ for the microwave wavelength used at the given microwave frequency.
  • Low dielectric loss factors tan ⁇ are in the range 10 "2 to 10. 7
  • Suitable dielectric materials for the dielectric tubes are metal oxides, semi-metal oxides, ceramics, plastics, and composites of these materials. Particular preference is given to dielectric tubes made of quartz glass or aluminum oxide with dielectric loss factors tan ⁇ in the 10 '3 to 10 "4.
  • the dielectric tubes may be made of the same material or different materials.
  • the metal sheath surrounds at least one dielectric tube and partially covers it. This acts as a microwave shield and prevents the radiation of microwaves in the angular range that covers the metal sheath.
  • the metal sheath is preferably made of a highly electrically conductive metal having a resistivity of less than 50 ⁇ * mm 2 / m, preferably less than 0.5 ⁇ -IHm 2 Zm. Particularly preferred is a metal which in addition to good electrical conduction properties good thermal conductivity with a thermal conductivity greater than 10 W / (m * K), more preferably greater than 100 WZ (mK). The outermost limit of the above values can, for economic reasons at 0 ⁇ "ITUN 2 cm of the resistivity (superconductor) and 10000 WZ (it ⁇ » K) are the coefficient of thermal conductivity.
  • a metal may be a pure metal or an alloy be and contain, for example, silver, copper, iron, aluminum, chromium or vanadium.
  • the shape of the metallic sheath is preferably adapted to the outer contour of the dielectric tube and may be e.g. consist of a metal tube, a bent metal sheet, a metal foil or even of a metallic layer and plugged, galvanized or applied in any other way.
  • the unshielded area of the lateral surface of the dielectric tube may have any desired shape extends the free area over the entire length of the tube and is limited in a straight line at its edges in a particularly preferred embodiment.
  • the invention includes further embodiments with all possible opening shapes, such as holes, slots, regular, irregular and curved edge boundaries.
  • Such metallic microwave shields can arbitrarily limit the angular range in which the generation of the plasma takes place and thus reduce the power requirement accordingly.
  • the opening angle at which the microwaves leave the shield can be any value smaller than 360 °. Opening angles of less than 180 °, particularly preferably less than 90 °, are preferred.
  • the metal coating makes it possible to treat wide webs of material with only a small power loss with a plasma.
  • the space region of the device, which does not face the workpiece is shielded and only a narrow plasma strip is produced between the workpiece and the device, predominantly over the entire width of the workpiece.
  • the plasma treatment of a workpiece can also be effected by moving the device relative to a workpiece or a surface, wherein the movement can be parallel to the longitudinal direction, but preferably also not parallel to the longitudinal direction of the dielectric tube, more preferably orthogonal to this longitudinal direction, runs.
  • the dielectric tubes are closed at the end faces with walls.
  • a gas or vacuum tight connection between the pipes and the walls is advantageous. Connections between two workpieces are known to the person skilled in the art and can be, for example, adhesive, welding, clamping or screw connections.
  • the tightness of the compound can range from gas tight to vacuum tight, being vacuum tight, depending on the working environment, tightness in a rough vacuum (300 - 1 hPa), fine vacuum (1 - 10 "3 hPa), high vacuum (10 ⁇ 3 - 10 " 7 hPa) or Ultra-high vacuum (10 ⁇ 7 - 10 ⁇ 12 hPa) means. In general, vacuum-tight here means tightness in coarse or fine vacuum.
  • the walls may have passages through which a dielectric fluid may be passed to cool the dielectric tube.
  • a dielectric fluid both a gas and a dielectric liquid may be used.
  • the fluid In order to keep a heating of the fluid through the microwave low as possible, the fluid must ⁇ in the range 10 ⁇ having from 2 to 10 -7 at the wavelength of the microwaves a low dielectric loss factor tan. As a result, a microwave power input is avoided in the fluid or reduced to a tolerable level.
  • a dielectric fluid is, for example, an insulating oil such as mineral oils, olefins (e.g., polyalphaolefin) or silicone oils (e.g., Coolanol® or dimethylpolysiloxanes).
  • an insulating oil such as mineral oils, olefins (e.g., polyalphaolefin) or silicone oils (e.g., Coolanol® or dimethylpolysiloxanes).
  • the material of the outer dielectric tube is replaced by a porous dielectric material.
  • Suitable porous dielectric materials are ceramics or sintered dielectrics, preferably alumina.
  • the gas has a resultant direction of movement radially away from the tube.
  • the proportion of excited particles is increased by the passage of the process gas through the range of maximum microwave intensity. This ensures an efficient transport of excited particles to the workpiece in this way. This increases both the concentration and the flux of excited particles.
  • any known gas can be used.
  • the most important process gases are noble gases, fluorine- and chlorine-containing gases, hydrocarbons, furans, dioxins, hydrogen sulfide, oxygen, hydrogen, nitrogen, tetrafluoromethane, sulfur hexafluoride, air, water and their mixtures.
  • the process gas consists of exhaust gases of all kinds, in particular carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides, aldehydes and sulfur oxides.
  • these gases can be without further also be used as process gases for other applications.
  • the devices described above for producing plasmas form a plasma during operation on the outside of the dielectric tube, which is not shielded by the metal sheath.
  • the device is operated inside a room (plasma chamber).
  • this plasma chamber can have different shapes and openings and fulfill various functions.
  • the plasma chamber can contain the workpiece to be machined and the process gas (direct plasma process) or process gases and openings for the plasma exit have (remote plasma process, exhaust gas purification).
  • Figures 1 A and 1 B show the cross section, and a perspective view of the device described above.
  • Figures 2 A to 2 D show in side view various examples of the above-described device.
  • Figures 3 A and 3 B show a possible embodiment for the treatment of large-scale workpieces.
  • FIGS. 1A and 1B show the cross-section and a perspective view of a device for local generation of microwave plasmas, wherein a dielectric tube (1) containing the microwave feed and optionally further elements and tubes (not shown) is covered by a metal sheath (2). is surrounded, so that a range of about 320 ° from the metal sheath is shielded.
  • the dielectric tube may be added to the microwave input supply other elements, such as coolant or other tubes.
  • Figures 2 A to 2 D show in side view various examples of the shape of the region of the dielectric tube (1), which is not covered by the metal sheath (2).
  • the drawings are to be understood as unrolled lateral surfaces of a cylindrical dielectric tube and the metal sheath.
  • FIG. 2 A shows a rectangular region
  • FIG. 2 B a region consisting of round surfaces
  • FIG. 2 C a biconcave surface
  • FIG. 2 D a biconvex surface.
  • FIGS. 3A and 3B show, in a perspective illustration and in a cross-section, a device for local generation of microwave plasmas, in which the largest part of the outer surface of the outer dielectric tube (1) is enclosed by a metal sheath (2), and a plasma (FIG. 3), which is indicated in the drawing by transparent arrows, which can arise only in a narrow area.
  • a workpiece (4) which moves relative to the device can be treated in this area with plasma over a large area.
  • All embodiments are powered by a microwave supply, not shown in the drawings, consisting of a microwave generator and possibly additional elements. These elements may include, for example, circulators, isolators, tuning elements (eg three-pin tuner or E / H tuner) as well as mode converters (eg, rectangular to coaxial).
  • the fields of application of the apparatus and the method described above are manifold.
  • the plasma treatment is used for.
  • the workpiece or gas to be treated is brought into contact with the plasma or the microwave radiation.
  • the geometry of the workpieces to be treated ranges from flat substrates, fibers and webs to moldings of any shape.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplasmen weist mindestens eine Mikrowelleneinspeisung auf, die von mindestens einem dielektrischen Rohr (1) umgeben ist. Mindestens eines der dielektrischen Rohre ist dabei teilweise mit einer Metallummantelung (2) umgeben, wobei vorzugsweise das äußere dielektrische Rohr ummantelt wird. Mittels Abschirmung von Mikrowellen wird ein lokal begrenztes Plasma mit einer oben beschriebenen Vorrichtung erzeugt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur lokalen Erzeugung von
Mikrowellenplasmen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplasmen, welche mindestens eine Mikro- welleneinspeisung aufweist, die von mindestens einem dielektrischen Rohr umgeben ist, desweiteren ein Verfahren zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplasmen durch Verwendung dieser Vorrichtung.
Vorrichtungen zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen werden bei der Plasmabehandlung von Werkstücken und Gasen eingesetzt. Die Plasmabehandlung dient z. B. der Beschichtung, Reinigung, Modifizierung und Ätzung von Werkstücken, zur Behandlung von medizinischen Implantaten, zur Textilbehand- lung, zur Sterilisation, zur Lichterzeugung, bevorzugt im Spektralbereich Infrarot bis Ultraviolett, zur Umsetzung von Gasen oder zur Gassynthese sowie in der Technik zur Abgasreinigung. Dabei wird das zu behandelnde Werkstück oder Gas in Kontakt mit dem Plasma oder der Mikrowellenstrahlung gebracht .
Die Geometrie der zu behandelnden Werkstücke reicht von flachen Substraten, Fasern und Bahnen bis zu Formteilen von beliebiger Gestalt.
Die wichtigsten Prozessgase sind Edelgase, fluor- und chlorhaltige Gase, Kohlenwasserstoffe, Furane, Dioxine, Schwefelwasserstoffe, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Tetrafluormethan, Schwefelhexafluorid, Luft, Wasser und deren Mischungen. Bei der Abgasreinigung durch mikrowelleninduziertes Plasma besteht das Prozessgas aus Abgasen aller Art, insbesondere Kohlenmonoκid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide, Aldehyde und Schwefeloxide. Diese Gase können jedoch ohne weiteres auch als Prozessgase für andere Anwendungen verwendet werden.
Vorrichtungen, die Mikrowellenplasmen erzeugen, sind in den Dokumenten WO 98/59359 Al, DE 198 480 22 Al und DE 195 032 05 Cl beschrieben worden.
Den oben angeführten Dokumenten ist gemein, dass sie eine Mikrowellenantenne im Inneren eines dielektrischen Rohres beschreiben. Werden im Inneren eines solchen Rohres Mikrowellen erzeugt, bilden sich entlang dessen Außenseite Oberflächenwellen aus. Durch diese Oberflächenwellen wird in einem Prozessgas, welches unter niedrigem Druck steht, ein linear gestrecktes Plasma erzeugt. Typische niedere Drücke sind dabei 0,1 mbar - 10 mbar. Das im Inneren des dielektrischen Rohres liegende Volumen ist typischerweise auf Umgebungsdruck (im Allgemeinen Normaldruck; ca. 1013 mbar) . Bei einigen Ausführungsformen wird zur Kühlung des dielektrischen Rohres ein Kühlgasstrom benutzt, der das Rohr durchströmt .
Für die Zuleitung der Mikrowellen werden unter anderem Hohlleiter und Koaxialleiter, als Koppelstellen in der Wand der Plasmakammer werden unter anderem Antennen und Schlitze verwendet. Solche Zuleitungen für Mikrowellen und Koppelstellen werden zum Beispiel in DE 423 59 14 und WO 98/59359 Al beschrieben.
Die zur Erzeugung des Plasmas verwendeten Mikrowellenfrequenzen liegen vorzugsweise im Bereich von 800 MHz bis 2,5 GHz, besonders bevorzugt in den Bereichen 800 MHz bis 950 MHz und 2,0 - 2,5 GHz, jedoch kann die Mikrowellenfrequenz im gesamten Bereich von 10 MHz bis einigen 100 GHz liegen. DE 198 480 22 Al und DE 195 032 05 Cl beschreiben Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern, mit einem Leiter, der innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff in die Vakuumkammer hineinragt, wobei das Isolierrohr an beiden Enden durch Wände der Vakuumkammer gehalten und gegenüber den Wänden an seiner Außenfläche abgedichtet ist. Die Enden des Leiters sind an einen Generator zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen.
Mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von homogenen Mikrowellenplasmen gemäß WO 98/59359 Al lassen sich aufgrund der gleichmäßigen Einkopplung der Mikrowellen besonders homogene Plasmen auch bei höheren Prozessdrücken über große Längen erzeugen.
Die Einsatzmöglichkeiten der oben genannten Plasmaquellen werden durch eine hohe Energieabgabe des Plasmas auf das dielektrische Rohr eingeschränkt . Durch diese Energieabgabe kann es zu einer übermäßigen Erwärmung des Rohres und letztendlich zu einer Zerstörung desselben kommen. Daher werden diese Quellen typischerweise mit Mikrowellenleistungen von ca. 1 - 2 kW bei entsprechend niedrigem Druck (ca. 0,1 - 0,5 mbar) betrieben. Die Prozessdrücke können zwar auch 1 mbar - 100 mbar betragen, jedoch nur unter bestimmten Bedingungen und entsprechend niedrigerer Leistung, um das Rohr nicht zu zerstören.
Mit den oben genannten Vorrichtungen lassen sich typische Plasmalängen von 0,5 - 1,5 m erreichen. Mit Plasmen aus nahezu 100% Argon lassen sich zwar auch größere Längen erzielen, jedoch sind solche Plasmen technisch wenig relevant.
Ein weiteres Problem bei solchen Plasmaquellen liegt in der radialsymmetrischen Abstrahlung von Mikrowellen und der damit verbundenen radialsymmetrisch abgestrahlten Leistung bei Anwendungen, die nur einen begrenzten Winkelbereich der Plasmaquelle benötigen. Jede Leistung, die in einen anderen Winkelbereich als den der Anwendung abgestrahlt wird, geht der Anwendung verloren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden und so den Anteil der Verlustleistung zu minimieren.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplasmen nach Anspruch 1 erreicht. Diese Vorrichtung weist mindestens eine Mikrowel- leneinspeisung auf, die von mindestens einem dielektrischen Rohr umgeben ist. Mindestens eines der dielektrischen Rohre ist dabei teilweise mit einer Metallummantelung umgeben, wobei dabei vorzugsweise das äußere dielektrische Rohr ummantelt wird.
Durch die abschirmende Wirkung der Metallummantelung auf Mikrowellen ermöglicht die Vorrichtung in vorteilhafter Weise die Erzeugung eines Plasmas in einem dafür vorgesehenen Bereich und verhindert so eine Plasmaerzeugung und damit eine Leistungsabstrahlung außerhalb dieses Bereichs.
Geeignete Mikrowelleneinspeisungen sind dem Fachmann bekannt. Xm Allgemeinen besteht eine Mikrowelleneinspeisung aus einer Struktur, die Mikrowellen in den Raum abstrahlen kann. Strukturen, die Mikrowellen abstrahlen, sind dem Fachmann bekannt und können durch alle bekannten Mikrowellenantennen und Resonatoren mit Koppelstellen zum Einkop- peln der Mikrowellenstrahlung in einen Raum realisiert werden. Bevorzugt für die beschriebene Vorrichtung sind Hohlraumresonatoren, Stabantennen, Schlitzantennen, Helixanten- nen und omnidirektionale Antennen. Besonders bevorzugt sind Koaxialresonatoren. Die Mikrowβllβneinspeisung ist im Betrieb über Mikrowellenzuleitungen (Hohlleiter oder Koaxialleiter) mit einem Mikrowellengenerator (z.B. Klystron oder Magnetron) verbunden. Zur Steuerung der Eigenschaften der Mikrowellen und zum Schutz der Elemente können noch Zirkulatoren, Isolatoren, Tuningelemente (z.B. Dreistifttuner oder E/H Tuner), sowie Modenkonverter (z.B. Rechteck- auf Koaxialleiter) in die Mikrowellenzuführung eingebracht werden.
Die dielektrischen Rohre sind vorzugsweise langgestreckt. Dies bedeutet hier, dass das Verhältnis Rohrdurchmesser : Rohrlänge zwischen 1:1 und 1:1000 liegt und vorzugsweise 1:10 bis 1:100 beträgt. Ferner sind die Rohre vorzugsweise gerade, können jedoch auch eine gebogene Form oder Ecken entlang ihrer Längsachse haben.
Die Querschnittsfläche der Rohre ist vorzugsweise kreisrund, jedoch sind generell beliebige Flächenformen möglich. Beispiele für andere Flächenformβn sind Ellipsen und Polygone.
Die langgestreckte Form der Rohre bedingt ein langgestrecktes Plasma. Langgestreckte Plasmen haben den Vorteil, dass durch Bewegung der Plasmavorrichtung relativ zu einem flächigen Werkstück große Flächen in kurzer Zeit behandelt werden können.
Die dielektrischen Rohre sollten bei der gegebenen Mikrowellenfrequenz einen geringen dielektrischen Verlustfaktor tan δ für die benutzte Mikrowellenlänge aufweisen. Geringe dielektrische Verlustfaktoren tan δ liegen in dem Bereich 10"2 bis 10-7.
Geeignete dielektrische Materialien für die dielektrischen Rohre sind Metalloxide, Halbmetalloxide, Keramiken, Kunststoffe und Verbundmaterialien aus diesen Stoffen. Besonders bevorzugt sind dielektrische Rohre aus Quarzglas oder Aluminiumoxyd mit dielektrischen Verlustfaktoren tan δ im Be- reich 10'3 bis 10"4. Dabei können die dielektrischen Rohre aus demselben Material oder unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Metallummantelung umgibt mindestens ein dielektrisches Rohr und deckt dieses partiell ab. Diese wirkt dabei als Mikrowellenabschirmung und verhindert die Abstrahlung von Mikrowellen in den Winkelbereich, den die Metallummantelung abdeckt .
Die Metallummantelung besteht vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitenden Metall mit einem spezifischen Widerstand kleiner als 50 Ω*mm2/m, bevorzugt kleiner als 0,5 Ω -IHm2Zm. Besonders bevorzugt ist ein Metall, welches zusätzlich zu guten elektrischen Leitungseigenschaften gute Wärmeleiteigenschaften mit einem Wärmeleitkoeffizient größer als 10 W/(m*K), besonders bevorzugt größer als 100 WZ(m-K), besitzt. Die äußerste Grenze für die oben genannten Werte kann aus wirtschaftlichen Gründen bei 0 Ω"ItUn2Zm für den spezifischen Widerstand (Supraleiter) und 10000 WZ(itι»K) für den Wärmeleitkoeffizienten liegen. Ein solches Metall kann ein reines Metall oder eine Legierung sein und z.B. Silber, Kupfer, Eisen, Aluminium, Chrom oder Vanadium enthalten.
Die Form der metallischen Ummantelung ist vorzugsweise der äußeren Kontur des dielektrischen Rohres angepasst und kann z.B. aus einem Metallrohr, einem gebogenen Metallblech, einer Metallfolie oder auch aus einer metallischen Schicht bestehen und aufgesteckt, aufgalvanisiert oder auf eine andere Weise aufgebracht sein.
Der nicht abgeschirmte Bereich der Mantelfläche des dielektrischen Rohres, im Folgenden auch „freier Bereich" genannt, kann eine beliebige Form besitzen. Vorzugsweise reicht der freie Bereich über die gesamte Länge des Rohres und ist an seinen Rändern in einer besonders bevorzugten Ausführungsform geradlinig begrenzt . Die Erfindung umfasst weitere Ausführungen mit allen möglichen Öffnungsformen, z.B. Löcher, Schlitze, regelmäßige, unregelmäßige und gebogene Randbegrenzungen.
Solche metallischen Mikrowellenabschirmungen können den Winkelbereich, in dem die Erzeugung des Plasmas stattfindet, beliebig begrenzen und so den Leistungsbedarf entsprechend reduzieren. Der Öffnungswinkel, unter dem die Mikrowellen die Abschirmung verlassen, kann jeden Wert kleiner als 360° annehmen. Bevorzugt sind Öffnungswinkel von kleiner als 180°, besonders bevorzugt kleiner als 90°.
Durch die Metallummantelung ist es möglich, breite Werkstoffbahnen mit nur geringer Verlustleistung mit einem Plasma zu behandeln. Durch die Metallummantelung wird der Raumbereich der Vorrichtung, der dem Werkstück nicht zugewandt ist, abgeschirmt und nur ein schmaler Plasmastreifen zwischen Werkstück und Vorrichtung vorwiegend über die gesamte Breite des Werkstückes erzeugt .
Die Plasmabehandlung eines Werkstückes kann zusätzlich zu einer statischen Plasmabehandlung auch dadurch erfolgen, dass die Vorrichtung relativ zu einem Werkstück oder einer Oberfläche bewegt wird, wobei die Bewegung parallel zur Längsrichtung verlaufen kann, vorzugsweise aber auch nicht parallel zur Längsrichtung des dielektrischen Rohres, besonders bevorzugt orthogonal zu dieser Längsrichtung, verläuft .
Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die dielektrischen Rohre an den Stirnseiten mit Wänden verschlossen. Eine gas- oder vakuumdichte Verbindung zwischen den Rohren und den Wänden ist dabei vorteilhaft. Verbindungen zwischen zwei Werkstücken sind dem Fachmann bekannt und können zum Beispiel Klebe-, Schweiß-, Klemm- oder Schraubverbindungen sein. Die Dichtigkeit der Verbindung kann von gasdicht bis vakuumdicht reichen, wobei vakuumdicht, je nach Arbeitsumgebung, Dichtigkeit im Grobvakuum (300 - 1 hPa) , Feinvakuum (1 - 10"3 hPa), Hochvakuum (10~3 - 10"7 hPa) oder Ultrahochvakuum (10~7 - 10~12 hPa) bedeutet. Im Allgemeinen bedeutet vakuumdicht hier eine Dichtigkeit im Grob- oder Feinvakuum.
Die Wände können Durchlässe aufweisen, durch die ein dielektrisches Fluid zur Kühlung des dielektrischen Rohres geleitet werden kann. Als dielektrisches Fluid kann sowohl ein Gas als auch eine dielektrische Flüssigkeit verwendet werden.
Um eine Aufheizung des Fluids durch die Mikrowellen möglichst gering zu halten, muss das Fluid bei der Wellenlänge der Mikrowellen einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor tan δ im Bereich 10~2 bis 10~7 aufweisen. Hierdurch wird ein Mikrowellenleistungseintrag in das Fluid vermieden bzw. auf ein tolerierbares Maß reduziert.
Eine dielektrische Flüssigkeit ist zum Beispiel ein isolierendes Öl, wie zum Beispiel Mineralöle, Olefine (z.B. PoIy- alphaolefin) oder Silikonöle (z.B. Coolanol® oder Dimethyl- polysiloxane) .
Durch diese Fluid-Kühlung des äußeren dielektrischen Rohres ist es möglich, die Aufheizung des äußeren dielektrischen Rohres zu vermindern. Dadurch werden höhere Mikrowellenleistungen ermöglicht, die wiederum zu einer Steigerung der Konzentration des Plasmas an der Außenseite des äußeren dielektrischen Rohres führen. Desweiteren wird durch die Kühlung ein höherer Prozessdruck möglich als in ungekühlten Plasmaerzeugern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird erfindungsgemäß das Material des äußeren dielektrischen Rohres durch ein poröses dielektrisches Material ersetzt. Geeignete poröse dielektrische Materialien sind Keramiken oder gesinterte Dielektrika, bevorzugt Aluminiumoxid. Es ist jedoch auch möglich, Rohrwandungen aus Quarzglas oder Metalloxiden mit kleinen Löchern zu versehen.
Bei dem Durchfluss eines Gases innerhalb des dielektrischen Rohres entweicht nun ein Teil des Gases durch diese Poren. Da an der Oberfläche des äußeren dielektrischen Rohres die höchsten Mikrowellenfeldstärken herrschen, durchwandern die Gasmoleküle beim Durchgang durch das äußere dielektrische Rohr die Zone der höchsten Ionendichte.
Desweiteren besitzt das Gas nach dem Durchgang durch die Poren eine resultierende Bewegungsrichtung radial vom Rohr weg.
Wird zur Kühlung das gleiche Gas benutzt, das auch als Prozessgas verwendet wird, wird der Anteil der angeregten Teilchen durch die Passage des Prozessgases durch den Bereich größter Mikrowellenintensität gesteigert. Dadurch ist auf diese Weise ein effizienter Transport von angeregten Teilchen zum Werkstück gewährleistet. Dies steigert sowohl die Konzentration als auch den Fluss der angeregten Teilchen.
Als Prozessgas kann jedes bekannte Gas genutzt werden. Die wichtigsten Prozessgase sind Edelgase, fluor- und chlorhaltige Gase, Kohlenwasserstoffe, Furane, Dioxine, Schwefelwasserstoffe, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Tetrafluormethan, Schwefelhexafluorid, Luft, Wasser und deren Mischungen. Bei der Abgasreinigung durch mikrowelleninduziertes Plasma besteht das Prozessgas aus Abgasen aller Art insbesondre Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide, Aldehyde und Schwefeloxide. Diese Gase können jedoch ohne weiteres auch als Prozessgase für andere Anwendungen verwendet werden.
Alle oben beschriebenen Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasmen bilden während des Betriebs an der Außenseite des dielektrischen Rohres, die nicht durch die Metallummante- lung abgeschirmt wird, ein Plasma aus. Im Normalfall wird die Vorrichtung im Inneren eines Raumes (Plasmakaxnmer) betrieben. Diese Plasmakammer kann je nach Betriebsart verschiedene Formen und Öffnungen aufweisen und verschiedene Funktionen erfüllen. Zum Beispiel kann die Plasmakammer das zu bearbeitende Werkstück und das Prozessgas enthalten (direkter Plasmaprozess) oder Prozessgase und Öffnungen für den Plasmaaustritt aufweisen (remote-Plasmaprozess, Abgasreinigung) .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Figuren 1 A und 1 B zeigen den Querschnitt, und eine perspektivische Ansicht der oben beschriebenen Vorrichtung. Figuren 2 A bis 2 D zeigen in Seitenansicht verschiedene Formbeispiele der oben beschriebenen Vorrichtung. Figuren 3 A und 3 B zeigen eine mögliche Ausführungsform zur Behandlung großflächiger Werkstücke.
Figuren 1 A und 1 B zeigen den Querschnitt und eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplasmen, wobei ein dielektrisches Rohr (1), welches die Mikrowelleneinspeisung und optional weitere Elemente und Rohre (nicht dargestellt) enthält, von einer Metallummantelung (2) umgeben ist, so dass ein Bereich von ca. 320° von der Metallummantelung abgeschirmt ist. Das dielektrische Rohr kann zuzüglich zu der Mikrowellenein- speisung weitere Elemente enthalten, wie z.B. Kühlmittel oder weitere Rohre.
Figuren 2 A bis 2 D zeigen in Seitenansicht verschiedene Beispiele der Form des Bereiches des dielektrischen Rohres (1), der nicht von der Metallummantelung (2) überdeckt wird. Dabei sind die Zeichnungen als abgerollte Mantelflächen eines zylinderförmigen dielektrischen Rohres und der Metallummantelung zu verstehen.
Figur 2 A zeigt dabei einen rechteckigen Bereich, Figur 2 B einen Bereich, bestehend aus runden Flächen, Figur 2 C eine bikonkave Fläche, und Figur 2 D eine bikonvexe Fläche.
Zuzüglich zu diesen Beispielen sind alle denkbaren Formen der nicht überdeckten Fläche möglich.
Figuren 3 A und 3 B zeigen in einer perspektivischen Darstellung und in einem Querschnitt eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplasmen, bei der der größte Teil der Mantelfläche des äußeren dielektrischen Rohres (1) von einer Metallummantelung (2) umschlossen ist, und ein Plasma (3), welches in der Zeichnung durch durchsichtige Pfeile angedeutet ist, das nur in einem schmalen Bereich entstehen kann. Ein Werkstück (4), welches sich relativ zu der Vorrichtung bewegt, kann in diesem Bereich mit Plasma über eine große Fläche behandelt werden.
Alle Ausführungsformen werden von einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Mikrowellenzufuhr, bestehend aus einem Mikrowellengenerator und ggf. zusätzlichen Elementen, gespeist. Diese Elemente können z.B. Zirkulatoren, Isolatoren, Tuningelemente (z.B. Dreistifttuner oder E/H Tuner) sowie Modenkonverter (z.B. Rechteck- auf Koaxialleiter) beinhalten. Die Einsatzgebiete der oben beschriebenen Vorrichtung und des oben beschriebenen Verfahrens sind mannigfaltig. Die Plasmabehandlung dient z. B. der Beschichtung, Reinigung, Modifizierung und Ätzung von Werkstücken, zur Behandlung von medizinischen Implantaten, zur Textilbehandlung, zur Sterilisation, zur Lichterzeugung, bevorzugt im Spektralbereich Infrarot bis Ultraviolett, zur Umsetzung von Gasen oder zur Gassynthese, sowie in der Technik zur Abgasreinigung. Dabei wird das zu behandelnde Werkstück oder Gas in Kontakt mit dem Plasma oder der Mikrowellenstrahlung gebracht. Die Geometrie der zu behandelnden Werkstücke reicht von flachen Substraten, Fasern und Bahnen bis zu Formteilen von beliebiger Gestalt .
Durch die Erhöhung der Dichte der angeregten Teilchen und der Plasmaleistung sind dabei höhere Prozessgeschwindigkeiten als in Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik möglich.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplas- men, welche mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, die von mindestens einem dielektrischen Rohr (1) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der dielektrischen Rohre (1) teilweise mit einer Metallum- mantelung (2) umgeben ist, wobei dabei vorzugsweise das äußere dielektrische Rohr ummantelt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallummantelung (2) aus einem elektrisch gut leitenden Metall besteht, welches einen spezifischen Widerstand kleiner als 50 Ω«mm2/m, bevorzugt kleiner als 0,5
Ω'IBm2Zm hat.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallummantelung (2) aus einem Metall besteht, welches gute Wärmeleiteigenschaften mit einem Wärmeleitkoeffizient größer als 10 W/(m*K), bevorzugt größer als 100 W/(m*K), besitzt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallummantelung (2) aus reinem Metall oder einer Legierung besteht und vorzugsweise Silber, Kupfer, Eisen, Aluminium, Chrom oder Vanadium enthält.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallummantelung (2) der äußeren Kontur des dielektrischen Rohres angepasst ist und vorzugsweise aus einem Metallrohr, einem gebogenen Metallblech, einer Metallfolie oder auch aus einer metallischen Schicht besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalluπαnantelung (2) aufgesteckt, aufgalvanisiert oder auf eine andere Weise aufgebracht ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallummantelung (2) einen Bereich der Mantelfläche des dielektrischen Rohres (1) frei lässt, der vorzugsweise über die gesamte Länge des dielektrischen Rohres (1) reicht oder aus Löchern oder Schlitzen besteht und vorzugsweise geradlinige, regelmäßige, unregelmäßige und gebogene Randbegrenzungen aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallummantelung (2) einen Bereich mit einem Öffnungswinkel von kleiner als 180°, bevorzugt kleiner als 90°, zum Mikrowellenaustritt nicht überdeckt .
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der dielektrischen Rohre aus Materialien aus der Metalloxide, Halbmetalloxide, Keramiken, Kunststoffe sowie Verbundmaterialien aus diesen Stoffen umfassenden Gruppe hergestellt sind, bevorzugt aus Quarzglas oder Aluminiumoxid.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der dielektrischen Rohre von einem Fluid gekühlt wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere dielektrische Rohr zumindest in einem Teilbereich der Mantelfläche oder in dem Bereich der gesamten Mantelfläche porös oder gasdurchlässig ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Prozesskammer außerhalb der Metalluiranantelung (2) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinspeisung eine Mikrowellenantenne oder ein Hohlraumresonator mit Koppelstellen, vorzugsweise ein Koaxialresonator, ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinspeisung über Mikrowellenzuleitungen, vorzugsweise Hohlleiter oder Koaxialleiter, mit einem Mikrowellengenerator, vorzugsweise einem Klystron oder Magnetron, verbunden ist.
15. Verfahren zur lokalen Erzeugung von Mikrowellenplasmen in einer Vorrichtung, die mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, welche von mindestens einem dielektrischen Rohr (1) umgeben ist, wobei ein Teil der Mikrowellenleistung durch eine Metallummantelung (2) abgeschirmt wird, die mindestens eines der dielektrischen Rohre teilweise umschließt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Metallummantelung (2) ein Raumbereich der Vorrichtung, der einem Werkstück nicht zugewandt ist, vor dem Austritt von Mikrowellen abgeschirmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in einen Bereich mit einem Öffnungswinkel von kleiner als 180°, bevorzugt kleiner als 90°, entsteht, der von der Metallummantelung (2) nicht ü- berdeckt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Werkstück oder eine Oberfläche relativ zu dem dielektrischen Rohr (1) parallel oder nicht parallel zu der Längsrichtung des dielektrischen Rohres (1) bewegt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung nicht parallel zur Längsrichtung des dielektrischen Rohres verläuft, wobei die Bewegungsrichtung bevorzugt orthogonal zu der Längsrichtung des dielektrischen Rohres verläuft .
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der dielektrischen Rohre von einem Fluid gekühlt wird, welches vorzugsweise einen geringen dielektrischen Verlustfaktor tan δ im Bereich 10"2 bis 10'7 aufweist.
21. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Erzeugung eines Plasmas zur Beschichtung, Reinigung, Modifizierung und Ätzung von Werkstücken, zur Behandlung von medizinischen Implantaten, zur Textilbehandlung, zur Sterilisation, zur Lichterzeugung, bevorzugt im Spektralbereich Infrarot bis Ultraviolett, zur Umsetzung von Gasen oder zur GasSynthese sowie in der Technik zur Abgasreinigung.
22. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 15 bis 20 zur Erzeugung eines Plasmas zur Beschichtung, Reinigung, Modifizierung und Ätzung von Werkstücken, zur Behandlung von medizinischen Implantaten, zur Textilbehandlung, zur Sterilisation, zur Lichterzeugung, bevorzugt im Spektralbereich Infrarot bis Ultraviolett, zur Umsetzung von Gasen oder zur Gassynthese sowie in der Technik zur Abgasreinigung.
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