WO2015193155A1 | 2015-12-23 |
EP0459177A2 | 1991-12-04 | |||
EP0432573A2 | 1991-06-19 | |||
DE19600223A1 | 1997-07-17 | |||
DE19608949A1 | 1997-09-11 |
Ansprüche 1. Mikrowellenplasmavorrichtung, umfassend einen Behandlungsraum und eine Anzahl von zwei oder mehr Mikrowellenhalbleitern, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenhalbleiter so an dem Behandlungsraum angebracht sind, dass die Mikrowellen eines Mikrowellenhalbleiters erst in dem Behandlungsraum mit den Mikrowellen anderer Mikrowellenhalbleiter interferieren. 2. Mikrowellenplasmavorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplung der Mikrowellen aus einem Mikrowellenhalbleiter über eine Antenne, bevorzugt eine Stabantenne erfolgt, wobei eine Stabantenne bevorzugt als Verlängerung des Innenleiters der insbesondere koaxialen Auskopplung aus dem Mikrowellenhalbleiter ausgeführt ist . 3. Mikrowellenplasmavorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie so ausgeformt ist, dass die Einspeisung der Mikrowellen aus einem Mikrowellenhalbleiter in den Behandlungsraum über weitere Koppler und/oder Wellenkonverter erfolgt, wobei die Mikrowellenplasmavorrichtung bevorzugt rechteckige, ovale oder runde Hohlleiter und/oder Koppler umfasst, in die die Mikrowellen zunächst eingekoppelt werden, sowie eine Antennenanordnung, aus der die Mikrowellen in den Behandlungsraum eingekoppelt werden, wobei eine Antenne dieser Antennenanordnung bevorzugt eine Schlitzantenne, Stabantenne oder ein Lochkoppler ist. 4. Mikrowellenplasmavorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsraum ln zwei Bereiche unterteilt ist, insbesondere mittels eines dielektrischen Wandelements, welches eine Wandung oder ein Fenster darstellt, wobei der Behandlungsraum bevorzugt als Resonator ausgeführt ist, bevorzugt als Zylinder-, Rechteck-, Kugel-, Ellipsoid-, Koaxialresonator oder einer Kombination aus diesen. 5. Mikrowellenplasmavorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellen-Einkoppelstellen in dem Behandlungsraum in mindestens einer Ebene liegen. 6. Mikrowellenplasmavorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter frequenzgekoppelt ist, wobei bevorzugt alle Mikrowellenhalbleiter miteinander frequenzgekoppelt sind und einzelne Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander frequenzgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderen Frequenzen als die vorgenannte Gruppe emittieren. 7. Mikrowellenplasmavorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrowellenhalbleiter dazu ausgelegt ist, gepulst angeregt zu werden, wobei bevorzugt eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter pulsgekoppelt ist und wobei alle Mikrowellenhalbleiter der Mikrowellenplasmavorrichtung miteinander pulsgekoppelt sind oder einzelne Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander pulsgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderen Pulsen als die vorgenannte Gruppe emittieren. 8. Mikrowellenplasmavorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Mikrowellenhalbleitern leistungsgekoppelt ist, wobei die eingekoppelte Leistung bevorzugt zeitlich veränderlich ist, und wobei bevorzugt alle Mikrowellenhalbleiter der Mikrowellenplasmavorrichtung in dieser Gruppe sind oder einzelne Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander leistungsgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderer Leistung als die vorgenannte Gruppe emittieren. 9. Mikrowellenplasmavorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenhalbleiter dazu ausgelegt sind, Mikrowellen mit linearer oder zirkularer Polarisation zu emittieren, wobei bevorzugt eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter so gestaltet ist, dass diese Mikrowellenhalbleiter Mikrowellen gleicher Polarisation emittieren. 10. Verfahren zum Betrieb einer Mikrowellenplasmavorrichtung, umfassend zwei oder mehr Mikrowellenhalbleiter in einem Behandlungsraum, wobei Mikrowellen eines Mikrowellenhalbleiters so in den Behandlungsraum eingekoppelt werden, dass sie erst in dem Behandlungsraum mit den Mikrowellen anderer Mikrowellenhalbleiter interferieren. |
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenplasmavorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Mikrowellenplasmavorrichtung.
Mikrowellenapplikatoren werden in verschiedenen Bereichen der industriellen Nutzung verwendet. Beispielsweise werden sie bei Erwärmungsprozessen für Lebensmittel, Kunststoffe, Gummi oder andere Stoffe eingesetzt. Das hier betrachtete technische Feld ist der Einsatz von Mikrowellenapplikatoren zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen für verschiedene
Plasmaanwendungen wie z.B. Ätzprozesse, Reinigungsprozesse, Modifikationsprozesse oder Beschichtungsprozesse. Typische Frequenzen für Mikrowellen liegen im Bereich von 300 MHz bis 300 GHz.
Zur Erzeugung von Mikrowellen gibt es verschiedene Mikrowellenerzeuger. In der Regel werden für die vorgenannten Anwendungen Magnetrons verwendet.
Alternativ zu einem Magnetron können bei Plasmaanwendungen auch Leistungshalbleiter zur Mikrowellenerzeugung verwendet werden. Diese besitzen jedoch nur vergleichsweise geringe Leistungen in der Größenordnung von einigen 100 W. Bei der Verwendung von Leistungshalbleitern zur Mikrowellenerzeugung bei hohen Leistungen können mehrere Leistungshalbleiter zur Mikrowellenerzeugung über einen Kombinierer (engl.: "Combiner") zusammengeschaltet und dann auf einen Rechteckhohlleiter gekoppelt werden. Der Rechteckhohlleiter dient dann als Mikrowelleneinkopplung bzw. als Generator für die Plasmaquelle. Solche Leistungshalbleiter zur Mikrowellenerzeugung werden im Folgenden als "Mikrowellenhalbleiter" bezeichnet.
Um hohe Leistungen in Mikrowellenapplikatoren gleichmäßig einzukoppeln, beschreiben z.B. DE 19600223 Al und DE
19608949 Al beispielsweise Mikrowellenverteiler in Form eines Ring- oder Koaxialresonators, welche einem
Behandlungsraum vorgeschaltet sind, um eine gleichmäßige Einkopplung der Mikrowellenleistung aus verschiedenen
Richtungen in diesen Behandlungsraum zu realisieren.
Nachteilig an dieser Art der Einkopplung ist, dass die Leistungseinkopplung aus der leistungszuführenden Struktur durch wechselnde Lasten im Behandlungsraum an
Gleichmäßigkeit verliert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Mikrowellenplasmavorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer
Mikrowellenplasmavorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine gleichmäßige Leistungseinkopplung in einen Behandlungsraum ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikrowellenplasmavorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Leistungseinkopplung dadurch gelöst, dass an einen Behandlungsraum einer
Mikrowellenplasmavorrichtung mehrere Mikrowellenhalbleiter so angebracht werden, dass sie die Mikrowellen direkt in den Behandlungsraum einkoppeln. Die Bezeichnung "direkt" bedeutet dabei, das die Mikrowellen der einzelnen Mikrowellenhalbleiter vor der Einstrahlung nicht miteinander überlagert werden. Die Mikrowellenauskopplung aus den
Mikrowellenhalbleitern erfolgt im Unterschied zum Stand der Technik also einzeln. Der Begriff "direkt" schließt dabei nicht aus, dass die Mikrowellenhalbleiter die Mikrowellen auch über Leitungsstrukturen in den Behandlungsraum
einkoppeln können.
Der Behandlungsraum ist so gestaltet, dass in ihm eine Plasmabehandlung stattfinden kann. Diesbezüglich wird der Behandlungsraum in der Beschreibung auch synonym als „Plasmakammer" bezeichnet.
Eine erfindungsgemäße Mikrowellenplasmavorrichtung, insbesondere zur Erzeugung von durch Mikrowellen angeregten Plasmen, umfasst einen Behandlungsraum und eine Anzahl von mindestens zwei oder mehr Mikrowellenhalbleitern. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenhalbleiter so an dem Behandlungsraum angebracht sind, dass die Mikrowellen eines (insbesondere jedes) Mikrowellenhalbleiters erst in dem Behandlungsraum mit den Mikrowellen anderer
Mikrowellenhalbleiter interferieren.
Zum Beispiel kann ein Mikrowellenhalbleiter die Mikrowellen über Antennen in den Behandlungsraum einkoppeln. Es ist aber auch möglich, dass ein Mikrowellenhalbleiter die
Mikrowellen über eine Zuleitung mit entsprechenden Koppel- stellen in den Behandlungsraum einkoppelt, wobei kein anderer Mikrowellenhalbleiter Mikrowellen in diese
Zuleitung einkoppelt. Die Zuleitung dient also nicht als Combiner. Je nach Notwendigkeit können Frequenz- und
Phasenverhältnis der einzelnen Mikrowellenhalbleiter
miteinander gekoppelt sein. Auch wenn erfindungsgemäß nur ein einziger Mikrowellenhalbleiter diese vorgenannte Bedingung erfüllen muss und andere Mikrowellenhalbleiter theoretisch über einen Combiner verbunden sein können, ist es besonders bevorzugt, wenn jeder Mikrowellenhalbleiter seine Mikrowellen auf die erfindungsgemäße Weise in den Behandlungsraum einkoppelt, also ohne dass Mikrowellen vor der Einkopplung miteinander
interferieren.
Die bevorzugten Mikrowellenhalbleiter haben eine Leistung von einigen 10 W bis einigen 100 W, wobei vorzugsweise auf Platinen mehrere Mikrowellenhalbleiter verschaltet sein können, um eine höhere Gesamtleistung zu erreichen, die insbesondere unter 1000 W liegt. Die Mikrowellenauskopplung von diesen Platinen erfolgt bevorzugt mittels eines Koax ialleiters. Es können insbesondere mehrere
Mikrowellenhalbleiter zur Mikrowellenerzeugung oder mehrere der vorgenannten Platinen leistungstechnisch
zusammengeschaltet werden. Eine Platine mit mehreren
Mikrowellenhalbleitern wird aufgrund ihrer Funktion hier als ein einziger "Mikrowellenhalbleiter" angesehen.
Erfindungsgemäß werden in der vorliegenden Erfindung für die Mikrowellenerzeugung und -einkopplung mehrere Mikrowellenhalbleiter verwendet. Der Vorteil der Mikrowellenhalbleiter liegt hierbei in ihrem einfachen und robusten Aufbau und ihrer Eigenschaft, dass sowohl Frequenz als auch Phase der einzelnen Mikrowellenerzeuger eingestellt werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Mikrowellenplasmavorrichtung (bevorzugt der vorgenannten) , also einer Vorrichtung zur Erzeugung von durch Mikrowellen angeregten Plasmen, werden mittels einer Anzahl von zwei oder mehr Mikrowellenhalbleitern in einen Behandlungsraum die Mikrowellen eines (insbesondere jedes) Mikrowellenhalbleiters so in den Behandlungsraum eingekoppelt, dass sie erst in dem Behandlungsraum mit den Mikrowellen anderer Mikrowellenhalbleiter interferieren.
Bevorzugt erfolgt die Auskopplung der Mikrowellen aus einem Mikrowellenhalbleiter über eine Antenne, bevorzugt eine Stabantenne. Der betreffende Mikrowellenhalbleiter umfasst dazu eine Antenne, über die die vom Mikrowellenhalbleiter erzeugten Mikrowellen aus diesem ausgekoppelt werden.
Bevorzugt wird eine Stabantenne als Verlängerung des Innenleiters der Auskopplung aus dem Mikrowellenhalbleiter aus- geführt. Diese Auskopplung ist oftmals koaxial ausgeformt.
Die Einspeisung der Mikrowellen aus den Mikrowellenhalbleiter in den Behandlungsraum kann direkt über die
vorgenannten Antennen erfolgen. Je nach Anwendung kann es jedoch von Vorteil sein, dass diese Einspeisung indirekt erfolgt.
In einem solchen indirekten Fall erfolgt die Einspeisung der Mikrowellen aus einem Mikrowellenhalbleiter in den Behandlungsraum bevorzugt über ein weiteres Koppelelement bzw. über einen Wellenkonverter. Dabei werden die Mikrowel len aus dem Mikrowellenhalbleiter bevorzugt in ein solches Koppelelement gekoppelt. Ein Koppelelement umfasst bevor zugt einen rechteckigen, ovalen oder runden Hohlleiter.
Von dem Koppelelement aus werden die Mikrowellen bevorzugt über eine weitere Antennenanordnung in den Behandlungsraum eingekoppelt. Im Grunde kann die Form einer Antenne dieser Antennenanordnung beliebig entsprechend der beabsichtigten Ausführungsform gewählt werden. Eine bevorzugte Antenne zur Einkopplung der Mikrowellen in den Behandlungsraum ist eine Schlitzantenne, Stabantenne oder ein Lochkoppler.
Bevorzugt ist der Behandlungsraum in zwei Bereiche unterteilt, insbesondere mittels einer Wandung, welche aus einem dielektrischen Material besteht oder ein dielektrisches Fenster aufweist. Dazu sind Quarzglasrezipienten bevorzugt. Derjenige Bereich, in den die Mikrowellen nicht direkt eingekoppelt werden, wird dabei als Behandlungsraum bzw. Plasmakammer genutzt. Dies dient dem Schutz der
Mikrowe11enque11en.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Behandlungsraum als Resonator S truktur, z.B. Zylinder-, Rechteck-, Kugel-, Ellipsoid-, Koaxialresonator oder einer Kombination aus diesen Strukturen, ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass eine resonante Mikrowelle in ihrem Inneren entstehen kann.
Der Behandlungsraum bzw. die Plasmaka mer kann eine Probenaufnahmeeinheit und/oder eine Bias-Elektrode umfassen. Eine Kombination hat den Vorteil, dass durch ein geeignetes Potential zwischen der Bias-Elektrode und der Probenaufnahme- einheit Elemente des Plasmas gezielt auf eine Probe auf der Probenaufnahmeeinheit gelenkt werden können.
Diejenigen Elemente, mittels derer die Mikrowellen in den Behandlungsraum eingebracht werden, also z.B. die Antennen der Mikrowellenhalbleiter im Fall einer direkten Einkopplung oder die Elemente der Antennenanordnung im Fall einer indirekten Einkopplung können als Mikrowellen-Einkoppelstellen bezeichnet werden, da über sie die Mikrowellen in den Behandlungsraum eingekoppelt werden.
Je nach Anwendungsfall können die Mikrowellen-Einkoppel- stellen in dem Behandlungsraum beliebig verteilt sein.
Bevorzugt liegen die Mikrowellen-Einkoppelstellen in dem Behandlungsraum in einer Ebene oder in zwei oder mehreren Ebenen.
Auch wenn eine Einkopplung nur einer Mikrowellenfrequenz je nach Anwendung vorteilhaft sein kann, kann es bei anderen Anwendungen von Vorteil sein, Mikrowellen unterschiedlicher Frequenz einzukoppeln. Bevorzugt ist eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter so gestaltet, dass diese Mikrowellen gleicher Frequenz emittieren bzw. dass Mikrowellen gleicher Frequenz in den Behandlungsraum eingekoppelt werden.
Mikrowellenhalbleiter einer solchen Gruppe werden hier auch als "frequenzgekoppelte" Mikrowellenhalbleiter bezeichnet. Dabei können alle Mikrowellenhalbleiter der Mikrowellenplasmavorrichtung in dieser Gruppe sein, so dass alle
Mikrowellenhalbleiter frequenzgekoppelt sind, es können je nach Anwendung aber auch einzelne Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander frequenzgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderen Frequenzen als die vorgenannte Gruppe emittieren.
Es können also je nach Anwendung unterschiedliche Gruppen mit jeweils zwei oder mehr frequenzgekoppelten
Mikrowellenhalbleitern vorliegen, wobei die
Mikrowellenfrequenzen der unterschiedlichen Gruppen jeweils unterschiedlich sind. Auch wenn eine ungepulste Mikrowellenemission je nach Anwendung vorteilhaft sein kann, kann es bei anderen Anwendungen von Vorteil sein, Mikrowellenpulse einzukoppeln. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Mikrowel lenhalbleiter diesbezüglich dazu ausgelegt, gepulst
angeregt zu werden bzw. Mikrowellen gepulst einzukoppeln. Bevorzugt ist eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter so gestaltet, dass sie synchron gepulst sind bzw. dass zeitlich identische Mikrowellenpulse in den Behandlungsraum eingekoppelt werden. Mikrowellenhalbleiter einer solchen Gruppe werden hier auch als "pulsgekoppelte" Mikrowellenhalbleiter bezeichnet. Dabei können alle Mikrowellenhalbleiter der Mikrowellenplasmavorrichtung in dieser Gruppe sein, so dass alle Mikrowellenhalbleiter pulsgekoppelt sind, es können je nach Anwendung aber auch einzelne Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander pulsgekoppelten
Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderen Pulsen als die vorgenannte Gruppe emittieren. Es können also je nach Anwendung unterschiedliche Gruppen mit jeweils zwei oder mehr pulsgekoppelten
Mikrowellenhalbleitern vorliegen, wobei die
Mikrowellenpulse der unterschiedlichen Gruppen jeweils unterschiedlich sind.
Die Einkopplung der Mikrowelle kann also je nach Bedarf gepulst oder ungepulst erfolgen. Hierbei sind beliebige Pulsformen möglich. Die Pulsfolge einzelner Mikrowellenhalbleiter zueinander kann dabei z.B. in Gruppen zeitlich versetzt erfolgen oder aber auch gleichzeitig.
Bevorzugt ist eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter so gestaltet, dass sie Mikrowellen gleicher Mikrowellenleistung emittieren bzw. dass Mikrowellen gleicher Leistung in den Behandlungsraum einkoppeln. Mikrowellenhalbleiter einer solchen Gruppe werden hier auch als "leistungsgekoppelte" Mikrowellenhalbleiter bezeichnet. Dabei können alle
Mikrowellenhalbleiter der Mikrowellenplasmavorrichtung in dieser Gruppe sein, so dass alle Mikrowellenhalbleiter leistungsgekoppelt sind, es können je nach Anwendung aber auch einzelne Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander leistungsgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderer Leistung als die vorgenannte Gruppe emittieren. Es können also je nach
Anwendung unterschiedliche Gruppen mit jeweils zwei oder mehr leistungsgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, wobei die Mikrowellenleistung der unterschiedlichen Gruppen jeweils unterschiedlich sind.
Die eingekoppelte Leistung ist bevorzugt zeitlich veränder lich. Dies hat den Vorteil, dass eine komplexe Steuerung einer Mikrowellenbehandlung mit klar definierten Leistungskurven möglich ist.
Bevorzugt ist eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter so gestaltet, dass sie Mikrowellen gleicher Phase emittieren, bzw. dass Mikrowellen gleicher Phase angeregt werden bzw. einkoppeln. Mikrowellenhalbleiter einer solchen Gruppe wer den hier auch als "phasengekoppelte" Mikrowellenhalbleiter bezeichnet. Dabei können alle Mikrowellenhalbleiter der Mikrowellenplasmavorrichtung in dieser Gruppe sein, so dass alle Mikrowellenhalbleiter miteinander phasengekoppelt sind, es können je nach Anwendung aber auch einzelne
Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander phasengekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderer Phase als die Gruppe emittieren. Es können also je nach Anwendung unterschiedliche Gruppen mit jeweils zwei oder mehr phasengekoppelten
Mikrowellenhalbleitern vorliegen, wobei die Phasen der unterschiedlichen Gruppen jeweils unterschiedlich sind und/oder zeitlich wechselnd.
Bevorzugt sind die Mikrowellenhalbleiter dazu ausgelegt, Mikrowellen mit linearer oder zirkularer Polarisation zu emittieren, bzw. so gestaltet und positioniert, dass die zur Mikrowellenerzeugung eingekoppelten Mikrowellen linear bzw. zirkular polarisiert sind. Dabei ist eine Gruppe der Mikrowellenhalbleiter so gestaltet, dass sie Mikrowellen gleicher Polarisation emittieren, bzw. dass Mikrowellen gleicher Polarisation angeregt werden bzw. einkoppeln.
Mikrowellenhalbleiter einer solchen Gruppe werden hier auch als "polarisationsgekoppelte" Mikrowellenhalbleiter
bezeichnet. Dabei können alle Mikrowellenhalbleiter der Mikrowellenplasmavorrichtung in dieser Gruppe sein, so dass alle Mikrowellenhalbleiter miteinander polarisationsgekoppelt sind, es können je nach Anwendung aber auch
einzelne Mikrowellenhalbleiter oder weitere Gruppen von miteinander polarisationsgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, die Mikrowellen mit anderer Polarisation als die Gruppe emittieren. Es können also je nach Anwendung
unterschiedliche Gruppen mit jeweils zwei oder mehr
polarisationsgekoppelten Mikrowellenhalbleitern vorliegen, wobei die Polarisationen der unterschiedlichen Gruppen jeweils unterschiedlich sind und/oder zeitlich wechselnd.
Die Mikrowellenvorrichtung ist besonders gut zum Einsatz in Plasmaquellen, aber auch für den nicht-plasmatechnischen Einsatz geeignet, insbesondere in der Lebensmittel-, chemischen oder pharmazeutischen Industrie. Es wird darauf hingewiesen, dass der unbestimmte Artikel "ein" bzw. "eine" auch eine Mehrzahl umfassen kann und als "mindestens ein" bzw. "mindestens eine" verstanden werden sollte. Jedoch wird auch die Einzahl explizit nicht
ausgeschlossen.
Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungs- gemäßen Mikrowellenplasmavorrichtung sind in den
Abbildungen schematisch dargestellt.
Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf eine bevorzugte
Ausführungsform.
Figur 2 zeigt ein Schnittbild der Ausführungsform nach Figur 1 in Seitenansicht.
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
Figur 4 zeigt ein Schnittbild der Ausführungsform nach Figur 3 in Seitenansicht.
Alle Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch mehrfach ausgeführt sein. Dargestellt sind lediglich diejenigen Komponenten, die zum Verständnis der Erfindung notwendig oder hilfreich sind. So werden z.B. in den
Abbildungen weitere Komponenten und deren Ausführungen nicht dargestellt, die dem Fachmann bekannt sind, wie z.B. Gaseinlass und Gasauslass, Pumpe, Druckregeleinheit,
Steuerung, Materialschleusen, oder entsprechende
Komponenten.
Figur 1 zeigt eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Mikrowellenplasmavorrichtung von oben. In der Mitte ist ein Behandlungsraum 2 dargestellt, der als
Zylinder aus Metall (z.B. Messing, Kupfer oder Aluminium) mit Boden und Deckel ausgeführt ist und als Resonator dienen kann. Diese Ausführung des Behandlungsraums 2 als Zylinderresonator ist zwar besonders bevorzugt, jedoch können auch Kugelresonatoren, Ellipsoidresonatoren,
Rechteckresonatoren oder Mischformen derselben je nach Anwendungsfall Vorteile bieten.
Um den Behandlungsraum 2 herum sind vier Mikrowellenhalb leiter 1 äquidistant angeordnet. Die Anzahl der Mikrowellenhalbleiter 1 kann bei Bedarf sowohl erhöht als auch erniedrigt werden. In der Mitte des Behandlungsraumes 2 ist eine Bias-Elektrode 3 zu erkennen. Der Behandlungsraum 2 und zwei Mikrowellenhalbleiter 1 werden von der Schnittebene A-A mittig durchzogen.
Die in der Abbildung gestrichelt angedeuteten Komponenten sind hier aus Gründen einer besseren Übersicht nicht genauer bezeichnet. Sie werden im Rahmen der Figur 2 genauer erklärt.
Figur 2 zeigt die Schnittebene A-A der Ausführungsform nach Figur 1 in Seitenansicht. Zu erkennen ist hier, dass die Einkopplung der Mikrowellen aus einem Mikrowellenhalbleiter
1 über jeweils eine Stabantenne 4 erreicht wird, die z.B. als Weiterführung des Innenleiters der koaxialen Auskopplung aus dem Mikrowellenhalbleiter 1 in den Behandlungsraum
2 ausgeführt ist.
Ein dielektrisches Wandelement 6, z.B. ein Quarzglaszylinder, unterteilt den Behandlungsraum 2 derart, dass in dem im inneren des dielektrischen Wandelements 6 liegenden Bereich je nach Anwendung eine entsprechende Gasatmosphäre mit gewünschter Gaszusammensetzung und Druck eingestellt werden kann. Das dielektrische Wandelement 6 kann eine vollständige Trennwand darstellen oder auch nur ein Fenster in einer ansonsten nicht dielektrischen Wand.
Unter der Bias-Elektrode 3 liegt eine Probenaufnahmeeinheit 5, wobei Bias-Elektrode 3 und Probenaufnahmeeinheit 5 entlang der Zylinderachse des Behandlungsraums 2, also in der Abbildung nach oben und unten verschiebbar ausgeführt sein können. Zwischen der Bias-Elektrode 3 und der
Probenaufnahmeeinheit 5 kann ein Bias-Spannung angelegt werden, um Plasmaspezies (z.B. Ionen oder Elektronen) auf die Probenaufnahmeeinheit 5 zu lenken.
Figur 3 zeigt eine Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Mikrowellenplasmavorrichtung von oben. Wie in der Figur 1 sind wieder vier Mikrowellenhalbleiter 1 äquidistant um einen Behandlungsraum 2 herum angeordnet. In der Mitte des Behandlungsraumes 2 ist auch wieder die Bias- Elektrode 3 zu erkennen. Im Unterschied zu Figur 1 sind in dieser Abbildung noch an der Position der Mikrowellenhalbleiter 1 jeweils Koppelelemente 7 dargestellt. Der Behandlungsraum 2 und zwei Mikrowellenhalbleiter 1 werden von der Schnittebene B-B mittig durchzogen.
Figur 4 zeigt die Schnittebene B-B der Ausführungsform nach Figur 3 in Seitenansicht. Wie auch in dem vorangehenden Beispiel wird die Einkopplung der Mikrowellen aus einem Mikrowellenhalbleiter 1 über jeweils eine Stabantenne 4 erreicht. Im Unterschied zu Figur 2 erfolgt die Mikrowelleneinkopplung von dem Mikrowellenhalbleiter 1 über die Stabantenne 4 in ein Koppelelement 7. Das Koppelelement 7 ist hier als Rechteckhohlleiterelement ausgeführt und wandelt die Koaxial-Mikrowellenzuführung in eine Rechteck- Hohleiterwelle um. Diese wird mittels Koppelschlitzen 8 in den Behandlungsraum 2 eingekoppelt. In Abwandlungen dieser Ausführungsform können mehr oder weniger Mikrowellenzuleitungen aus Mikrowellenhalbleiter 1, Stabantenne 4, Koppelelement 7 und Koppelschlitzen 8 vorhanden sein.
In der Abbildung liegen die Koppelstellen zur Einkopplung der Mikrowellen in den Behandlungsraum 7 bzw. die
Mikrowellenzuleitungen in einer Ebene. Eine Anordnung der Koppelstellen bzw. Mikrowellenzuleitungen in mehreren
Ebenen ist ebenso möglich. Hierdurch lassen sich höhere Leistungen oder bessere Homogenitäten der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung. z.B. für ein Plasma, erhalten.
Beispielsweise stellen die bevorzugten Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 bzw. 3 und 4 eine Mikrowellenplasma- vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas dar. Das dielektrische Wandelement 6 kann, wie oben bereits angesprochen wurde, ein Quarzglasrezipient sein, der eine innenliegende Plasmakammer abtrennt, die als Volumen zur Durchführung einer Plasmabehandlung dient. In der Plasmakammer können die gewünschten Prozessbedingungen eingestellt werden, wie z.B. Gaszusammensetzung, Gasdruck oder Mikrowellenleistung.
In den Figuren 1 und 2 wird eine bevorzugte Art der
Einkopplung von Mikrowellen in den Behandlungsraum 2, die direkte Einkopplung aus dem Koaxialausgang, dargestellt.
Der Innenleiter des Mikrowellenhalbleiters 1 koppelt in dem dargestellten Fall als Stabantenne 4 in den Behandlungsraum 2 ein.
In den Figuren 3 und 4 wird eine weitere bevorzugte Art der Einkopplung von Mikrowellen in den Behandlungsraum 2, die indirekte Einkopplung aus dem Koaxialausgang, dargestellt. Hier werden Mikrowellen über Koppelelemente 7, z.B. Rechteckhohleiter oder Rundhohleiter, in Hohlleiterwellen beliebiger Art umgewandelt und dann dem Behandlungsraum über die Koppelschlitze 8 zugeführt. Die Art der Leistungseinkopplung kann so der Struktur des Behandlungsraumes 2 angepasst werden.
Die Einkopplung der Mikrowellen über die verschiedenen Mikrowellenhalbleiter 1 erfolgt bevorzugt mit der gleichen Frequenz und Phase, kann aber auch bei Bedarf dem der
Mikrowellenplasmavorrichtung angepasst werden.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass auf Zirkulatoren und Tuningelemente in der Zuführung der Mikrowellen zum Behandlungsraum verzichtet werden kann, aber nicht muss.
Die Einkopplung der Mikrowellen kann je nach Bedarf gepulst oder ungepulst erfolgen. Die Leistung kann dabei zwischen verschiedenen Leistungsstufen variieren, d.h. sie muss nicht zwischen 0 und 100% variieren, sondern kann z.B.
zwischen 20% und 80% gepulst werden.
Die Polarisation der Mikrowellen (z.B. linear, zirkular oder elliptisch) der einzelnen Mikrowellenhalbleiter bzw. Mikrowellenzuleitungen kann gleich ausgeführt werden. Je nach Anwendung kann die Polarisation verschiedener
Mikrowellenhalbleiter auch unterschiedlich gewählt werden oder auch zeitlich wechselnd.
Die verschiedenen Einkopplungsmöglichkeiten (gepulst, polarisiert, Phasen- oder Frequenzverhältnis) können je nach Bedarf auch kombiniert werden. Bezugszeichenliste
1 Mikrowellenhalbleiter
2 Behandlungsraum
3 Bias-Elektrode
4 Stabantenne
5 Probenaufnahmeeinheit
6 Dielektrisches Wandelement
7 Koppelelement
8 Koppelschlitze