DE4340224A1 - Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von Plas­ ma mittels Mikrowellenbestrahlung.

Die Verwendung von Plasmen zur Materialienbehandlung wird zu­ nehmend wichtiger; eine Begrenzung ihrer Anwendung stellt je­ doch die relativ hohe Energiezufuhr, die zum Erzeugen des Plasmas erforderlich ist, und ebenso die hohe Temperatur der erzeugten aktivierten Gase dar.

Bei vorhandenen Einrichtungen zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellen wird Mikrowellenbestrahlung gleichmäßig in einer Kammer benutzt, durch die ein Prozeßgas strömt, das in einen Plasmazustand anzuregen ist. Die Energiedichte ist daher nie­ drig, wenn nicht eine hohe elektrische Energiezufuhr angewen­ det wird, und hat daher einen geringen, elektrischen Wirkungs­ grad zur Folge.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine effizientere Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbestrahlung als bisher zu schaffen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbestrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Vorzugsweise sind die Elektroden im Querschnitt rund und der Durchgang ist eine axiale Bohrung in der entsprechenden Elek­ trode.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden ko­ nisch, wobei eine von ihnen in einem scharfkantigen Rand endet, und die andere eine axiale Bohrung mit einem solchen Durchmes­ ser ist, daß sie auch einen scharfkantigen Rand aufweist. Die Elektrode ohne die axiale Bohrung kann mit einem spitzen mitt­ leren Vorsprung versehen sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungs­ formen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform gemäß der Er­ findung, und

Fig. 2 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung ist.

In Fig. 1 weist eine Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbestrahlung eine Kammer 1 auf, die aus einem Glaszy­ linder 2 und zwei Endstücken 3 bzw. 4 besteht. Der Glaszylinder 2 paßt bzw. sitzt in ringförmigen Nuten 5, die in die Endstücke 3 und 4 der Kammer 1 eingearbeitet sind; die Kammer 1 ist mit­ tels O-Ringen 6 gasdicht gemacht. Der Aufbau ist durch Klam­ mern, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind, zusammengehalten.

Die Endstücke 3 und 4 der Kammer 1 sind angepaßt, um einen Teil von Hohlleiter-Abschnitten 7 bzw. 8 zu bilden, die entsprechend bemessen sind, um Mikrowellenenergie zu übertragen.

Der Hohlleiter-Abschnitt 7 ist mit einem nicht dargestellten Mikrowellenerzeuger verbunden und der Hohlleiter-Abschnitt 8 weist einen abschließenden Kurzschluß 8′ auf, der fest sein kann, oder innerhalb des Hohlleiterabschnitts 8 zur Abstimmung verschoben werden kann.

In den Endstücken 3 und 4 der Kammer 1 ist ein Paar feldver­ stärkender Elektroden 9 bzw. 10 gehaltert.

Die Elektroden 9 und 10 haben eine konische Form und enden in scharfen ringförmigen Spitzen. Die Elektrode 9 ist einstellbar, so daß der Abstand 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 verän­ dert werden kann. Geeignete Abstände liegen im Bereich von 0,1 bis 0,5mm. Die Elektrode 9 hat einen in ihr ausgebildeten Kanal 12, durch den ein Kühlmittel geleitet werden kann. Die Elektro­ de 10, die mit dem Endstück 4 der Kammer 1 eine Einheit bildet, hat einen in ihr ausgebildeten, axial verlaufenden Durchgang 13, durch den ein Prozeßgas, das in dem Zwischenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 in einen Plasmazustand erregt worden ist, aus der Kammer 1 entnommen werden kann. Eine Einlaßöff­ nung 14 für das Prozeßgas geht durch das Endstück 3 der Kammer 1 hindurch.

Das Endstück 4 der Kammer 1 ist hohl, so daß ein Kühlmittel durch dies geleitet werden kann. Die Endstücke 3 und 4 der Kam­ mer 1 und die Elektroden 9 und 10 sind aus rostfreiem Stahl hergestellt. Sie können aus anderen Materialien, wie einer Alu­ miniumlegierung hergestellt sein, wobei die scharfen Enden aus Molybdän oder anderem feuerfesten Metall, wie Wolfram, beste­ hen.

Die ringförmige Form der spitzen Enden der Elektroden 9 und 10 hat eine Anzahl Wirkungen. Erstens die normale elektrische Feldverstärkung, zu der es kommt, wenn scharfe Spitzen einander gegenüberliegen . . Zweitens gibt es in der dargestellten Geome­ trie, einen beträchtlichen Druckabfall in dem Prozeßgas, wenn es durch den schmalen Zwischenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 strömt, bevor es in den Durchgang 13 in der Elektrode 10 eintritt. Dies macht es nicht nur leichter, das Prozeßgas in dem Plasmazustand in dem Zwischenraum 11 und nicht irgendwo in der Kammer 1 zu erregen, wo der Druck des Prozeßgases höher ist, sondern der radiale Druckgradient im Bereich der Spitzen begrenzt auch das Plasma auf den Bereich zwischen den Elektro­ den 9 und 10. Ebenso bewirkt die dargestellte Geometrie, daß das gesamte Prozeßgas während seines Durchgangs durch den Zwi­ schenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 unter rechtem Winkel zu dem maximalen elektrischen Feldbereich strömt; somit ist die Effizienz zur Erregung des Prozeßgases in den Plasmazu­ stand maximiert und so die zugeführte Energie verringert, die zum Erzeugen von Plasma notwendig ist. Das kleine Entlade-Vo­ lumen, das von gut gekühlten Wänden umgeben ist, bedeutet, daß die Plasmatemperatur relativ niedrig gehalten wird, obwohl sie durch Elektronen, die in den hochelektrischen Feldern beschleunigt worden sind, angeregt wurde. Ferner kann, da sich die elektrische Feldverteilung im Betrieb der Vorrich­ tung nicht sehr von der Feldverteilung unterscheidet, die exi­ stiert, wenn kein Plasma vorhanden ist, die Vorrichtung selbst­ umlaufend ausgeführt sein.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung darge­ stellt, deren Komponenten, die gleich den entsprechenden Kompo­ nenten der ersten Ausführungsform sind, dieselben Bezugszeichen haben.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Glaszylinder 5 durch einen Block 21 aus glasfaserverstärk­ tem Polytetrafluorethylen ersetzt, obwohl auch andere inerte, nicht-leitende Materialien verwendet werden können. Der Block 21 hat eine zylindrische Innenfläche 22 und einen Durchlaß 23, der an einem Ende mit dem Gaseinlaß 14 verbunden ist und an dem anderen Ende tangential zu der Innenfläche 22 des Blocks 21 verläuft. Somit strömt Gas tangential in die Kammer 1, die durch den Block 21 und die Endstücke 3 und 4 gebildet ist, und spiralförmig um die Elektroden 9 und 10, bevor es in dem Zwi­ schenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 gelangt. Dieses spiralförmige Strömungsmuster erhöht die Stabilität der elek­ trischen Entladung zwischen den Elektroden 9 und 10, so daß bei einer konsequenten Zunahme des Durchsatzes an aktiviertem Gas Elektrodenspitzen mit größerem Durchmesser verwendet werden können. Beispielsweise ermöglicht ein Durchmesser von 0,8mm an der Spitze und der Öffnung 24 des Durchgangs 13 in der Elektro­ de 10 und ein Zwischenraum 11 von 0,2mm von 100 shpm an akti­ viertem Gas. Die Entladungsstabilität wird ferner mittels eines mittleren Vorsprungs 25 am Ende der Elektrode 9 erhöht, und der Gasstrom in die Öffnung 24 des Durchgangs 13 in der Elektrode 10 wird dadurch gesteigert, daß die Innenfläche 26 der Öffnung 24 trompetenförmig ausgebildet ist.

Die Elektrode 10 ist mit einer austauschbaren Spitze 27 verse­ hen, und ein O-Ring 28 ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß keine Gasundichtigkeit entlang des Schraubengewindes 29 auf­ tritt; dadurch wird die Lage der Elektrode 9 geändert, so daß der Zwischenraum 11 zwischen den Elektroden 9 und 10 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann.

Beschriftung der Zeichnungen

Fig. 1
Coolant = Kühlmittel
Mikrowaves in = Mikrowelleneingang
Gas = Gas
Aktivated Gas = aktiviertes Gas

Fig. 2
Coolant = Kühlmittel
Mikrowaves in = Mikrowelleneingang
Gas Inlet = Gaseinlaß
Aktivated Gas = aktiviertes Gas.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenbe­ strahlung, mit einer Kammer, die mit einem Hohlleitersystem verbunden ist, um elektromagnetische Strahlung im Mikrowel­ lenbereich des elektromagnetischen Spektrums zu übertragen, und mit einer Einlaßöffnung, über welche ein in einem Plasma­ zustand anzuregendes Prozeßgas zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar feldverstärkender Elektroden (9, 10) vorgesehen ist, die senkrecht zu der Aus­ breitungsrichtung der Mikrowellenstrahlung durch die Kammer (1) angeordnet sind, wobei mindestens eine der Elektroden (10) des Elektrodenpaares (9, 10) einen Durchgang (13) hat, der so ausgebildet ist, daß das angeregte Prozeßgas aus dem Bereich der Kammer (1) zwischen den feldverstärkenden Elektroden (9, 10) extrahiert werden kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 10) in scharfkantigen Spitzen enden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 10) eine konische Form haben.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen ringförmig sind.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Durchgang (13) eine axiale Boh­ rung in der entsprechenden Elektrode (10) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der Elektrode (9) eines Elektrodenpaars (9, 10), die kei­ ne axiale Bohrung (13) aufweist, einen axialen spitz zulaufen­ den Vorsprung (25) hat, der von einem scharfkantigen Ring umge­ ben ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand (11) zwischen den Elek­ troden (9, 10) veränderlich ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (14) so angeordnet ist, daß das Prozeßgas in die Kammer (1) des Generators mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (9, 10) in dem Bereich von 0,1 bis 0,5mm liegt.