CN111566777A - 微波等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波等离子体装置，所述微波等离子体装置包括处理空间和数量为两个以上的微波半导体。微波等离子体装置的特征在于，微波半导体以这样的方式附接到所述处理空间，使得微波半导体中的所述微波仅在所述处理空间中时干扰其他微波半导体的所述微波。本发明还涉及一种对应的方法。

Description

微波等离子体装置

技术领域

本发明涉及一种微波等离子体装置以及用于操作微波等离子体装置的方法。

背景技术

微波辐射器用于工业用途的各个领域。例如，它们用于食品、塑料、橡胶或其他物质的加热处理。这里考虑的技术领域是使用微波辐射器来产生用于各种等离子体应用的微波等离子体，例如，蚀刻工艺、清洁工艺、改性工艺或涂覆工艺。微波的典型频率处于300MHz至300GHz的范围内。

存在各种用于产生微波的微波发生器。通常，将磁控管用于上述应用。

作为磁控管的替代，功率半导体可用于等离子应用中的微波产生。但是，它们仅具有几百瓦级别的相对较低的功率。当使用用于在高功率下产生微波的功率半导体时，可以通过组合器将若干个用于产生微波的功率半导体互连，然后耦合到矩形波导上。然后，矩形波导用作微波输入耦合装置或等离子体源的发生器。这种用于产生微波的功率半导体在下文中被称为“微波半导体”。

为了将大功率均匀地耦合到微波辐射器中，例如，DE 19600223A1和DE19608949A1描述了一种环形或同轴谐振器形式的微波分配器，其连接在处理空间的上游以实现从不同方向将微波功率均匀地耦合到所述处理空间中。这种类型的输入耦合的缺点在于，由于处理空间中的负载变化，来自电源结构的功率输入耦合的均匀性降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，并提供一种微波等离子体装置和一种用于操作微波等离子体装置的方法，通过该微波等离子体装置和方法，可以将功率均匀地耦合到处理空间中。

该目的通过根据权利要求的微波等离子体装置和方法来实现。

根据本发明，功率输入耦合的目的是以这样的方式实现的，将多个微波半导体以这样的方式附接到微波等离子体装置的处理空间，以便它们将微波直接耦合到处理空间中。术语“直接”是指各个微波半导体的微波在辐照之前不相互叠加。因此，与现有技术相反，微波是独立地从微波半导体中耦合出来的。术语“直接”并不排除微波半导体还可以通过引导结构将微波耦合到处理空间中。

处理空间被构造为使得可以在其中进行等离子体处理。就此而言，处理空间在说明书中也被同义地称为“等离子体室”。

根据本发明的微波等离子体装置，特别是用于产生被微波激发的等离子体的微波等离子体装置，包括处理空间和数量为至少两个或多个的微波半导体。其特征在于，微波半导体以这样的方式附接到处理空间，即，使得微波半导体(特别是每个)的微波仅在处理空间中时干扰其他微波半导体的微波。

例如，微波半导体可以通过天线将微波耦合到处理空间中。但是，微波半导体也可以通过具有相应耦合点的馈送件(feed)将微波耦合到处理空间中，其中没有其他微波半导体将微波耦合到该馈送件中。因此，该馈送件不用作组合器。必要时，各个微波半导体的频率比和相位比可以彼此耦合。

尽管根据本发明，仅单个微波半导体需要满足上述条件，而其他微波半导体在理论上可以通过组合器进行连接，但是特别优选地，每个微波半导体以根据本发明的方式将其微波耦合到处理空间中，也就是说，在它们已经被耦合进入之前，没有微波相互干扰。

优选的微波半导体具有几十瓦至几百瓦的功率，其中可以优选地在电路板上连接多个微波半导体，以便获得更高的总功率，尤其是低于1000W。优选地，通过同轴导体从这些板上耦合出微波。尤其是，用于产生微波的多个微波半导体或多个上述电路板可以在功率方面互连。由于其功能，具有多个微波半导体的电路板在这里被视为单个“微波半导体”。

根据本发明，在本发明中使用多个微波半导体来产生微波和微波输入耦合。微波半导体的优点在于其简单而坚固的设计，以及可以调节各个微波发生器的频率和相位的特性。

在根据本发明的用于操作(优选地上述类型的)微波等离子体装置(即用于产生由微波激发的等离子体的装置)的方法中，(尤其是每个)微波半导体的微波借助于数量在两个以上的微波半导体以这样的方式被耦合到处理空间中，使得它们仅在处理空间中时干扰其他微波半导体的微波。

微波优选地通过天线从微波半导体中耦合出，该天线优选地为杆状天线。为此目的，所讨论的微波半导体包括天线，通过该天线将由微波半导体产生的微波从后者耦合出。杆状天线优选地被实现为从微波半导体耦合出的输出耦合装置的内部导体的延伸。该输出耦合装置通常被同轴地配置。

微波可以通过前述天线从微波半导体直接馈送到处理空间。然而，根据应用，间接地进行这种馈送可能是有益的。

在这种间接情况下，微波从微波半导体优选地经由其他耦合元件或经由波转换器被馈送到处理空间中。在这种情况下，来自微波半导体的微波优选地被耦合到这种耦合元件中。耦合元件优选地包括矩形、椭圆形或圆形的波导。

从耦合元件，微波优选地经由其他天线布置被耦合到处理空间中。基本上，根据预期的实施例，可以根据需要选择该天线布置的天线的形状。用于将微波耦合到处理空间中的优选天线是缝隙天线、杆状天线或孔耦合器。

优选地，处理空间被划分为两个区域，特别是借助于由介电材料制成的壁或具有介电窗的壁。为此，优选石英玻璃容器(recipient)。使用微波没有直接耦合到其中的区域作为处理空间或等离子体室。这用于保护微波源。

在装置的优选实施例中，处理空间可以构造为谐振器结构的形式，例如圆柱形、矩形、球形、椭圆形、同轴谐振器或这些结构的组合。这具有可以在其内部产生共振微波的优点。

处理空间，即等离子体室，可以包括样品接收单元和/或偏压电极。其组合具有如下优点，可以借助于偏压电极与样品接收单元之间的适当的电势将等离子体的元件具体地引导到布置在样品接收单元上的样品上。

通过其将微波引入处理空间的那些元件，换言之，例如，在直接输入耦合的情况下的微波半导体的天线，或者在间接输入耦合的情况下的天线布置的元件，可以称为微波输入耦合点，由于微波通过所述微波输入耦合点耦合到处理空间中。

取决于应用，微波输入耦合点可以根据需要分布在处理空间中。微波输入耦合点优选地位于处理空间中的一个平面或者在两个以上平面中。

尽管根据应用，仅一个微波频率的输入耦合可能是有利的，但是在其他应用中耦合不同频率的微波可能是有利的。一组微波半导体优选地被配置为使得这些微波半导体发射相同频率的微波，或者使相同频率的微波被耦合到处理空间中。该组的微波半导体在本文中也被称为“频率耦合”微波半导体。在这种情况下，微波等离子体装置的所有微波半导体都可以在这一组中，以便所有微波半导体都被频率耦合，但是根据应用，还可以存在独立的微波半导体或彼此频率耦合的其他组的微波半导体，其发射具有除上述组之外的频率的微波。因此，根据应用，可以存在不同的组，每个组具有两个以上频率耦合的微波半导体，其中，不同组的微波频率在各种情况下是不同的。

即使根据应用非脉冲微波发射可能是有利的，但在其他应用中耦合入微波脉冲也可能是有利的。根据优选实施例，在这方面，微波半导体被配置为以脉冲方式被激发或以脉冲方式耦合入微波。一组微波半导体优选地被配置为使得它们被同步地脉冲化或者在时域上相同的微波脉冲被耦合到处理空间中。这种组的微波半导体在本文中也称为“脉冲耦合”微波半导体。在这种情况下，微波等离子体装置的所有微波半导体都可以在这组中，从而所有微波半导体都是脉冲耦合的，但是根据应用，还可以存在独立的微波半导体或其他组的彼此脉冲耦合的微波半导体，其发射具有除上述组之外的其他脉冲的微波。因此，根据应用，可以存在不同的组，每个组具有两个以上脉冲耦合的微波半导体，其中，不同组的微波脉冲在各种情况下不同。

因此，可以根据需要以脉冲或非脉冲的方式耦合入微波。任何期望的脉冲形状都是可能的。例如，各个微波半导体的彼此相关的脉冲序列可以成组地、以时间偏移的方式、或者同时地发生。

一组微波半导体优选地以它们发射相同微波功率的微波、或者相同功率的微波耦合到处理空间中的方式而被配置。这种组的微波半导体在本文中也被称为“功率耦合”微波半导体。在这种情况下，微波等离子体装置的所有微波半导体可以在该组中，从而所有微波半导体都被功率耦合，但是根据应用，还可以存在独立的微波半导体或其他组的彼此功率耦合的微波半导体，其发射具有与上述组不同的其他功率的微波。因此，根据应用，可以存在不同的组，每个组具有两个以上功率耦合的微波半导体，其中，不同组的微波功率在各种情况下不同。

耦合的功率优选地随时间变化。这具有能够利用明确定义的功率曲线对微波处理进行复杂控制的优点。

一组微波半导体优选地被配置为，使它们发射相同相位的微波，或者激发或耦合入相同相位的微波。这组微波半导体在本文中也称为“相位耦合的”微波半导体。在这种情况下，微波等离子体装置的所有微波半导体可以在这一组中，使得所有微波半导体彼此相位耦合，但是根据应用，也可以存在独立的微波半导体或其他组的彼此偏振耦合的微波半导体，其发射具有除所述组之外的其他相位的微波。因此，根据应用，可以存在不同的组，每个组具有两个以上偏振耦合的微波半导体，其中，不同组的相位在各种情况下是不同的和/或随时间变化的。

微波半导体优选地被配置为发射具有线偏振或圆偏振的微波，或者其被配置和定位为使得被耦合入用于微波生成的微波为线偏振的或圆偏振的。在这种情况下，一组微波半导体以它们发射相同偏振的微波的方式或者激发或耦合相同偏振的微波的方式而被配置。这组的微波半导体在本文中也被称为“偏振耦合”微波半导体。在这种情况下，微波等离子体装置的所有微波半导体都可以在该组中，以便所有微波半导体彼此耦合，但是根据应用，还可以存在独立的微波半导体或其他组的彼此偏振耦合的微波半导体，其发射具有除所述组之外的其他偏振的微波。因此，根据应用，可以存在不同的组，每个组具有两个以上偏振耦合的微波半导体，其中，不同组的偏振在各种情况下是不同的和/或随时间变化的。

微波装置尤其适合用于等离子源，但也适合于非等离子体相关的用途，尤其是在食品、化学或制药工业中。

要指出的是，不定冠词“一(a)”或“个(an)”也可以包括多个，并且应该被理解为“至少一个”的含义。然而，单数并未被明确地排除。

附图说明

在附图中示意性地示出了根据本发明的微波等离子体装置的优选实施例的示例。

图1示出了优选实施例的俯视图。

图2示出了根据图1的实施例在侧视图中的截面图。

图3示出了其他优选实施例的俯视图。

图4示出了根据图3的实施例在侧视图中的截面图。

具体实施例

根据本发明的装置的所有组件也可以不止一次存在。仅示出了对于理解本发明必要的或有帮助的那些组件。因此，例如，附图中没有示出本领域技术人员已知的进一步的部件及其实施例；这样的组件例如是进气口和出气口、泵、压力控制单元、控制器、材料锁或相应的组件。

图1从上方示出了微波等离子体装置的优选实施例的图示。在中心示出了处理空间2，该处理空间设计为由金属(例如黄铜，铜或铝)制成的圆柱体，具有底部和盖子，并且可以用作谐振器。尽管圆柱形谐振器形式的处理空间2的实施例是特别优选的，但是根据应用，球形谐振器、椭圆形谐振器、矩形谐振器或其混合形式也可以提供优势。

四个微波半导体1围绕处理空间2等距布置。如果需要，可以增加和减少微波半导体1的数量。在处理空间2的中心可以看到一个偏压电极3。处理空间2和两个微波半导体1被截面A-A在中心处横切。

出于更好的概观的目的，附图中由虚线表示的组件在此没有详细指定。在图2的上下文中更详细地解释它们。

图2示出了根据图1的实施例在侧视图中的截面A-A。在这里可以看出，来自微波半导体1的微波的输入耦合在各种情况下通过杆状天线4来实现，杆状天线4例如被配置为从微波半导体1耦合出进入处理空间2的同轴输出耦合装置的内部导体的延伸。

介电壁元件6(例如，石英玻璃圆柱体)根据应用以如下方式划分处理空间2，可以在位于介电壁元件6内部的区域中调节具有期望的气体组成和压力的相应的气体气氛。介电壁元件6可以被构造为完整的分隔壁，或者被构造为非介电壁中的窗口。

样品接收单元5位于偏压电极3的下方，其中，偏压电极3和样品接收单元5可被设计成可沿处理空间2的圆柱轴线移动，换言之，图中向上和向下移动。可以在偏压电极3和样品接收单元5之间施加偏压，以将等离子体物质(例如，离子或电子)引导到样品接收单元5上。

图3从上方示出了微波等离子体装置的其他优选实施例的图示。如图1中，四个微波半导体1再次围绕处理空间2等距地布置。在处理空间2的中心也可以再次看到偏压电极3。与图1相比，在该图中示出了各自在微波半导体1的位置处的耦合元件7。处理空间2和两个微波半导体1被截面B-B在中心处横切。

图4示出了根据图3的实施例在侧面图中的截面B-B。如在前面的示例中，分别在各种情况下通过杆状天线4实现来自微波半导体1的微波的输入耦合。与图2相比，微波从微波半导体1经由杆状天线4被耦合到耦合元件7中。这里，耦合元件7被构造为矩形波导元件，并将同轴微波馈送转换为矩形波导波。后者通过耦合槽8耦合到处理空间2中。在该实施例的变型中，可以存在更多或更少的由微波半导体1、杆状天线4、耦合元件7和耦合槽8组成的微波馈送件。

在附图中，用于将微波耦合到处理空间或微波馈送件中的耦合点7位于平面中。在多个平面中的耦合点或微波馈送件的布置也是可能的。以此方式，可以获得被辐射的微波辐射(例如，对于等离子体)的更高的功率或更好的均匀度。

例如，图1和2或3和4的优选实施例表示用于产生等离子体的微波等离子体装置。如上所述，介电壁元件6可以是石英玻璃容器，该石英玻璃容器分隔出内部等离子体室，所述内部等离子体室用作进行等离子体处理的空间。可以在等离子体室中设定期望的处理条件，例如气体组分、气体压力或微波功率。

图1和图2示出了将微波耦合到处理空间2中的优选方式，即，从同轴出口直接输入耦合。微波半导体1的内部导体在所示情况下以杆状天线4的形式耦合到处理空间2中。

图3和图4示出了将微波耦合到处理空间2中的其他优选方式，即，从同轴出口的间接输入耦合。

在这里，微波通过耦合元件7(例如，矩形波导或圆形波导)被转换为任何类型的波导波，然后，通过耦合槽8被馈送到处理空间。因此，功率的耦合方式可以适应于处理空间2的结构。

经由各种微波半导体1的微波的输入耦合优选地在相同的频率和相位下进行，但是如果需要的话还可以适于微波等离子体装置的输入耦合。

根据本发明的实施例的优点在于，可以但不是必须省去在微波到处理空间的馈送中的循环器和调谐元件。

微波可以根据需要以脉冲或非脉冲的方式耦合。功率可以在不同的功率水平之间变化，即，其不一定是在0至100％之间变化，还可以例如在20％至80％之间脉冲化。

可以实现各个微波半导体或微波馈送件的微波的偏振(例如线性的、圆形的或椭圆形的)以使其相同。根据应用，也可以选择不同的微波半导体的偏振以使其不同，或者随时间变化。

各种输入耦合选项(脉冲、偏振、相位或频率比)也可以根据需要进行组合。

附图标记的列表

1微波半导体

2处理空间

3偏压电极

4杆状天线

5样品接收单元

6介电壁元件

7耦合元件

8耦合槽

Claims (10)

1.一种微波等离子体装置，其包括处理空间和数量为两个以上的微波半导体，其特征在于，所述微波半导体以这样的方式附接到所述处理空间，使得微波半导体的所述微波仅在所述处理空间中时干扰其他微波半导体的微波。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于，所述微波通过天线从微波半导体耦合出，所述天线优选为杆状天线，其中，杆状天线优选地被构造为从所述微波半导体耦合出的特别是同轴的输出耦合装置的内部导体的延伸。

3.根据前述权利要求中的一项所述的微波等离子体装置，其特征在于，所述微波等离子体装置以微波从所述微波半导体经由其他的耦合器和/或波转换器被馈送到所述处理空间中的方式被构造，其中，所述微波等离子体装置优选地包括所述微波初始耦合到其中的矩形、椭圆形或圆形的波导和/或耦合器，以及将所述微波从其耦合到所述处理空间中的天线布置，其中所述天线布置的天线优选地是缝隙天线、杆状天线或孔耦合器。

4.根据前述权利要求中一项所述的微波等离子体装置，其特征在于，所述处理空间被划分为两个区域，特别是借助于作为壁或窗的介电壁元件，其中，所述处理空间优选地被配置为谐振器，优选作为圆柱形、矩形、球形、椭圆形、同轴谐振器、或作为其组合。

5.根据前述权利要求中的一项所述的微波等离子体装置，其特征在于，所述处理空间中的微波输入耦合点位于至少一个平面中。

6.根据前述权利要求中的一项所述的微波等离子体装置，其特征在于，一组所述微波半导体是频率耦合的，其中，优选地，所有微波半导体彼此频率耦合，并且存在独立的微波半导体或其他组的彼此频率耦合的微波半导体，其发射具有除上述组之外的其他频率的微波。

7.根据前述权利要求中的一项所述的微波等离子体装置，其特征在于，微波半导体被配置为以脉冲方式被激发，其中，优选地，一组所述微波半导体是脉冲耦合的，并且其中，所述微波等离子体装置的所有微波半导体彼此脉冲耦合，或者存在独立的微波半导体或其他组的彼此脉冲耦合的微波半导体，其发射具有除上述组之外的其他脉冲的微波。

8.根据前述权利要求中的一项所述的微波等离子体装置，其特征在于，一组微波半导体是功率耦合的，其中，耦合入的功率优选地随时间变化，并且其中，优选地，所述微波等离子体装置的所有微波半导体都在该组中，或者存在独立的微波半导体或其他组的彼此功率耦合的微波半导体，其发射具有除上述组之外的功率的微波。

9.根据前述权利要求中的一项所述的微波等离子体装置，其特征在于，所述微波半导体被配置为发射具有线偏振或圆偏振的微波，其中，优选地，一组所述微波半导体被配置为使得这些微波半导体发射相同偏振的微波。

10.一种用于操作微波等离子体装置的方法，所述微波等离子体装置包括处理空间中的两个以上微波半导体，其中，微波半导体的微波以这样方式耦合到所述处理空间中，使得它们仅在处理空间中时干扰其他微波半导体的微波。

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