DE102006048815B4

DE102006048815B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen hoher Leistung

Info

Publication number: DE102006048815B4
Application number: DE102006048815.6A
Authority: DE
Inventors: Ralf Spitzl
Original assignee: iplas Innovative Plasma Systems GmbH
Current assignee: iplas Innovative Plasma Systems GmbH
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: WO2008046551A1; AU2007312618A1; CA2666117A1; DE102006048815A1; EP2080214A1; US20100215541A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen in einer Vorrichtung, welche mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, die von einem dielektrischen Rohr (3) umgeben ist, und die Mikrowellen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Mikrowelleneinspeisung und dielektrischem Rohr (3) ein dielektrisches Innenrohr (10) angebracht ist, das die Mikrowelleneinspeisung umgibt, und dass der Raum zwischen dem dielektrischem Rohr (3) und dielektrischem Innenrohr (10) von einer dielektrischen Flüssigkeit durchströmt wird, wobei die dielektrische Flüssigkeit einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor tanδ im Bereich 10–2 bis 10–7 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen hoher Plasmadichte in einer Vorrichtung, welche mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, die von mindestens einem dielektrischen Rohr umgeben ist.
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 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.
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 insbesondere Kohlenmonoxid, 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 A1 , DE 198 480 22 A1 und DE 195 032 05 C1 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 42 35 914 A1 und WO 98/59359 A1 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 A1 und DE 195 032 05 C1 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 A1 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 bis 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 Prozessgasführung insbesondere bei höheren Prozessgasdrücken (größer als 1 mbar). Die Ursache hierfür liegt darin begründet, dass die Plasmadichte in zunehmender radialer Entfernung vom dielektrischen Rohr stark abnimmt. Dies erschwert die Zuführung von neuem Prozessgas zu den Bereichen hoher Ladungsträgerdichten. Des weiteren steigt bei höheren Prozessdrücken die auf das dielektrische Rohr abgegebene Wärmeleistung.
Höhere Prozessgasdrücke sind jedoch bevorzugt, da sie häufig zu deutlichen Steigerungen der Prozessgeschwindigkeiten, um das 10 bis 100-fache, führen.
Aus JP 56 13 66 46 A ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen bekannt, die eine Mikrowelleneinspeisung (22) aufweist, welche von einem äußeren dielektrischen Rohr (23) umgeben ist. Der zwischen der Mikrowelleneinspeisung und dem dielektrischen Rohr liegende Raum wird zwecks Kühlung von einem dielektrischen Gas durchströmt.
DE 296 23 199 U1 betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen, bei welcher ein Mikrowellenerzeuger (4) im Inneren des Innenleiters (2) eines Koaxialresonators angebracht ist, und die eine außenliegende Plasmakammer aufweist. Die Plasmakammer wie auch der Koaxialresonator können ein dielektrisches Material enthalten. Öffnungen oder Durchlässe zum Hindurchleiten einer Kühlflüssigkeit werden nicht erwähnt.
US 5 597 624 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Lichtwellenleitern mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung. Eine Kühlung mittels einer dielektrischen Flüssigkeit ist nicht vorgesehen.
In DE 41 36 297 A1 wird eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung eines Plasmas mittels Mikrowellenanregung beschrieben. Die Vorrichtung weist einen Führungshohlleiter aus einem dielektrischen Material (Quarzglas) auf, der von Rohrabschnitten aus Metall umgeben ist, die voneinander beabstandet sind.
In DE 197 22 272 A1 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma beschrieben, die ein Isolierrohr oder Glasrohr (5) sowie einen zu diesem koaxial angeordneten stabförmigen Leiter (4) aufweist. Der stabförmige Leiter kann von einem einzigen Rohr (20) aus elektrisch leitendem Werkstoff beabstandet umschlossen sein.
DE 36 17 779 A1 betrifft eine fluiddichte Kopplungsvorrichtung für Mikrowellenstrahlung. Die Vorrichtung weist ein dielektrisches, mikrowellendurchlässiges Fenster auf, das die Form eines Rohres hat. Das Fenster kann von außen mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Als geeignete Kühlflüssigkeiten werden insbesondere Silikonöle und Petroleum genannt.
Aus DE 699 18 044 T2 ist ein Kanalelement für eine Gasbehandlungsvorrichtung bekannt, bei der das Gas durch ein Oberflächenwellenplasma behandelt wird. Das Kanalelement weist ein Entladungsrohr (29) aus dielektrischem Material auf, das von einem zweiten Rohr (36) aus dielektrischem Material umgeben ist. Das zweite Rohr dient der Umhüllung eines Kühlfluids. Als Kühlfluid kann z. B. ein Isoparaffin-Polyalphaolef in enthaltendes Kühlfluid verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile der übermäßigen Erwärmung des dielektrischen Rohres zu verhindern oder zu vermindern und so eine Steigerung der Leistung der Plasmaquellen zu ermöglichen.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht. Hierbei wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen verwendet, welche mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, die von einem dielektrischen Rohr umgeben ist. Zwischen der Mikrowelleneinspeisung und dem dielektrischem Rohr ist ein dielektrisches Innenrohr angebracht, das die Mikrowelleneinspeisung umgibt. Der Raum zwischen dem dielektrischem Rohr und dem dielektrischen Innenrohr wird von einer dielektrischen Flüssigkeit durchströmt, wobei die dielektrische Flüssigkeit einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor tanδ im Bereich 10^–2 bis 10^–7 aufweist.
Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise die Kühlung des dielektrischen Rohres mittels der Durchleitung der Flüssigkeit durch die oben beschriebene Rohranordnung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung nach Anspruch 9, welche mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, die von mindestens einem dielektrischen Rohr umgeben ist, wobei jedes dielektrische Rohr an seinen Stirnseiten mit Wänden abgeschlossen ist. Zwischen der Mikrowelleneinspeisung und dem dielektrischem Rohr ist ein dielektrisches Innenrohr angebracht, das die Mikrowelleneinspeisung umgibt. Der Raum zwischen dem dielektrischem Rohr und dem dielektrischem Innenrohr kann von einer dielektrischen Flüssigkeit durchströmt werden. Die beiden Wände weisen jeweils mindestens einen Durchlass auf, durch den eine Flüssigkeit geleitet werden kann.
Im Folgenden werden die Vorrichtung und das Verfahren näher beschrieben.
Geeignete Mikrowelleneinspeisungen sind dem Fachmann bekannt. Im 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 Einkoppeln der Mikrowellenstrahlung in einen Raum realisiert werden. Bevorzugt für die beschriebene Vorrichtung sind Hohlraumresonatoren, Stabantennen, Schlitzantennen, Helixantennen und omnidirektionale Antennen. Besonders bevorzugt sind Koaxialresonatoren.
Die Mikrowelleneinspeisung 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. Dabei können die beiden Rohre gleichlang sein oder eine unterschiedliche Länge aufweisen. 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 Flächenformen 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 tanδ für die benutzte Mikrowellenlänge aufweisen. Geringe dielektrische Verlustfaktoren tanδ liegen gemäß Anspruch 1 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 tanδ im Bereich 10^–3 bis 10^–4. Dabei können die dielektrischen Rohre aus demselben Material oder unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die dielektrischen Rohre der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind 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 weisen mindestens einen Durchlass auf, durch den eine Flüssigkeit geleitet werden kann. Dabei ist die Größe und Form der Durchlässe beliebig. Je nach Anwendung kann jede Wand mindestens einen Durchlass enthalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich in dem Bereich, den die Stirnseite des inneren dielektrischen Rohres abdeckt, keine Durchlässe.
Durch diese Durchlässe kann die Flüssigkeit in den Raum zwischen dem äußeren dielektrischen Rohr und dem inneren dielektrischen Rohr geleitet und wieder abgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Zu- beziehungsweise Abführung der dielektrischen Flüssigkeit über Durchlässe in der Mikrowelleneinspeisung auf der einen, und mindestens einem der Durchlässe in den Wänden auf der anderen Seite. Der Druck der Flüssigkeit kann dabei größer, kleiner oder gleich dem Atmosphärendruck sein.
Die Durchströmungsgeschwindigkeit und das Durchströmverhalten (laminar oder turbulent) der dielektrischen Flüssigkeit durch das dielektrische Rohr ist so zu wählen, dass die Flüssigkeit einen guten Kontakt mit dem Rand des dielektrischen Rohres hat und es zu keiner Verdampfung der dielektrischen Flüssigkeit kommt. Die Regelung der Durchströmgeschwindigkeit und des Durchströmverhaltens mittels des Drucks und der Form und Größe der Durchlässe ist dem Fachmann bekannt.
Da Flüssigkeiten generell einen viel größeren spezifischen Wärmekoeffizienten besitzen als Gase, ist die Kühlung des dielektrischen Rohres mit einer dielektrischen Flüssigkeit viel effektiver als mit einer Gaskühlung, wie sie in DE 195 032 05 C1 beschrieben wird.
Jedoch ist eine Kühlung des dielektrischen Rohres durch eine Flüssigkeit nicht in einfacher Weise zu realisieren, da der Energieeintrag der Mikrowellen auf die Flüssigkeit diese erwärmt. Durch jede zusätzliche Aufheizung der dielektrischen Flüssigkeit wird der Kühleffekt auf das dielektrische Rohr vermindert. Diese Verminderung der Kühlleistung kann bei hoher Mikrowellenabsorption der Flüssigkeit auch zu einer negativen Kühlleistung führen, was einer zusätzlichen Erwärmung des dielektrischen Rohres durch die Kühlflüssigkeit entspricht. Um eine Aufheizung der dielektrischen Flüssigkeit durch die Mikrowellen möglichst gering zu halten, muss die dielektrische Flüssigkeit bei der Wellenlänge der Mikrowellen einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor tanδ im Bereich 10^–2 bis 10^–7 aufweisen. Hierdurch wird ein Mikrowellenleistungseintrag in das Kühlmedium vermieden bzw. auf ein tolerierbares Maß reduziert.
Eine solche dielektrische Flüssigkeit ist zum Beispiel ein isolierendes Öl mit einem niedrigen dielektrischen Verlustfaktor. Isolierende Öle sind zum Beispiel Mineralöle, Olefine (z. B. Polyalphaolefin) oder Silikonöle (z. B. Coolanol^® oder Dimethylpolysiloxane). Bevorzugt als dielektrische Flüssigkeit ist Hexadimethylsiloxan.
Durch diese Flüssigkeits-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. Des weiteren wird durch die Kühlung ein höherer Prozessdruck möglich als in ungekühlten Plasmaerzeugern.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Doppelrohranordnung. Dabei wird ein dielektrisches Innenrohr zwischen der Mikrowelleneinspeisung und dem dielektrischen Rohr eingefügt.
Die dielektrische Flüssigkeit kann bei dieser Ausführungsform zwischen den beiden Rohren geführt werden (siehe 2).
Im Gegensatz zu einer Gaskühlung gemäß DE 195 032 05 , bei der das Kühlgas Kontakt zu der Mikrowelleneinspeisung hat, wird hier durch die Doppelrohranordnung der Kontakt zwischen Flüssigkeit und der Mikrowelleneinspeisung vermieden, und somit die Möglichkeit ausgeschlossen, dass die Flüssigkeit mit der Mikrowelleneinspeisung reagieren kann. Des weiteren wird durch diese Trennung von Flüssigkeit und Mikrowelleneinspeisung eine Wartung der Mikrowelleneinspeisung erheblich vereinfacht.
Um den Mikrowellenleistungsbedarf bei den oben aufgeführten Plasmaquellen weiter zu reduzieren, kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine metallische Ummantelung um das äußere dielektrische Rohr angebracht werden, welches dieses Rohr partiell abdeckt. Diese metallische Ummantelung wirkt dabei als Mikrowellenabschirmung 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. Solche metallischen Mikrowellenabschirmungen können den Winkelbereich, in dem die Erzeugung des Plasmas stattfindet, beliebig begrenzen (z. B. auf 90°, 180° oder 270°) und so den Leistungsbedarf entsprechend reduzieren.
Insbesondere bei der Ausführungsform mit einer metallischen Ummantelung der Vorrichtungen zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen ist es möglich, breite Werkstoffbahnen mit nur geringer Verlustleistung mit einem Plasma zu behandeln. Durch die Ummantelung wird der Raumbereich der Vorrichtung, der dem Werkstück nicht zugewandt ist, abgeschirmt, und nur ein schmaler Plasmastreifen zwischen Werkstück und Vorrichtung über die gesamte Breite des Werkstückes erzeugt.
Alle oben beschriebenen Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasmen bilden während des Betriebs an der Außenseite des dielektrischen Rohres ein Plasma aus. Im Normalfall wird die Vorrichtung im Inneren eines Raumes, einer Plasmakammer, 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.
1 zeigt Schnittzeichnungen der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Doppelrohranordnung.
2 zeigt eine Ausführungsform mit metallischer Ummantelung.
3 zeigt eine Schnittzeichnung der oben beschriebenen Vorrichtung eingebaut in einer Plasmakammer.
4A und 4B zeigen eine mögliche Ausführungsform zur Behandlung großflächiger Werkstücke.
1 zeigt in Front- und Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer als Koaxialresonator ausgeführten Mikrowelleneinspeisung. Die Mikrowelleneinspeisung enthält einen Innenleiter (1), einen Außenleiter (2) und Koppelstellen (4). Die Mikrowelleneinspeisung ist von einem dielektrischen Rohr (3) umgeben, das den mikrowellenzuführenden Bereich von der Plasmakammer (nicht eingezeichnet) trennt, und auf dessen Außenseite sich das Plasma ausbildet.
Das dielektrische Rohr (3) ist mit den Wänden (5, 6) gas- oder vakuumdicht verbunden. Zwischen dem Koaxialresonator und dem dielektrischen Rohr (3) ist ein dielektrisches Innenrohr (10) eingefügt, welches ebenfalls mit den Wänden (5, 6) gas- oder vakuumdicht verbunden ist. Durch den Raum zwischen dem dielektrischen Rohr (3) und dem dielektrischen Innenrohr (10) wird die dielektrische Flüssigkeit über die Öffnungen (8) und (9) zu- bzw. abgeführt. Mit dieser Doppelrohranordnung ist es möglich, den Bereich, durch den die dielektrische Flüssigkeit strömt, von der Mikrowelleneinspeisung zu trennen.
2 zeigt einen Querschnitt der in 1 dargestellten Ausführungsform, bei der das dielektrische Rohr (3) von einer metallischen Ummantelung (11) umgeben ist. Dargestellt ist hier der Fall, in dem die metallische Ummantelung den Winkelbereich in dem die Erzeugung des Plasmas stattfindet auf 180° begrenzt.
3 zeigt einen Längsschnitt eine Vorrichtung (20), wie sie durch 1 beschrieben wird, im eingebauten Zustand in einer Plasmakammer (21). Die Kühlflüssigkeit (22) fließt in diesem Beispiel durch Durchlässe in den beiden Stirnseiten. In dem Raum (23) zwischen dem äußeren dielektrischen Rohr (3) und der Wand der Plasmakammer bildet sich im Betrieb das Plasma aus.
4A und 4B zeigen in einer perspektivischen Darstellung und in einem Querschnitt eine Ausführungsform (20), bei der der größte Teil der Mantelfläche des äußeren dielektrischen Rohres von einer Metallummantelung (11) umschlossen ist und ein Plasma (31), welches in der Zeichnung durch durchsichtige Pfeile angedeutet ist, nur in einem schmalen Bereich entstehen kann. Ein Werkstück (30), 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 der Plasmaleistung sind dabei höhere Plasmadichten und damit höhere Prozessgeschwindigkeiten als in Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik möglich.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen in einer Vorrichtung, welche mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, die von einem dielektrischen Rohr (3) umgeben ist, und die Mikrowellen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Mikrowelleneinspeisung und dielektrischem Rohr (3) ein dielektrisches Innenrohr (10) angebracht ist, das die Mikrowelleneinspeisung umgibt, und dass der Raum zwischen dem dielektrischem Rohr (3) und dielektrischem Innenrohr (10) von einer dielektrischen Flüssigkeit durchströmt wird, wobei die dielektrische Flüssigkeit einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor tanδ im Bereich 10^–2 bis 10^–7 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes dielektrische Rohr an seinen Stirnseiten mit Wänden (5, 6), die Durchlässe (8, 9) aufweisen, verbunden sind, und die dielektrische Flüssigkeit durch Durchlässe (8, 9) in den Wänden zu- und abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Bereich, den die Stirnseite des inneren dielektrischen Rohres abdeckt, keine Durchlässe befinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit ein isolierendes Öl ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit ein Mineralöl, Silikonöl oder eine Mischung aus beiden Ölgruppen ist oder enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit ein Dimethylpolysiloxan, vorzugsweise Hexadimethylsiloxan, ist oder enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem Raum zwischen dem dielektrischen Innenrohr (10) und dem dielektrischen Rohr (3) größer als der Atmosphärendruck oder gleich dem Atmosphärendruck ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem Raum zwischen dem inneren dielektrischen Rohr (10) und dem äußeren dielektrischen Rohr (3) kleiner als der Atmosphärendruck ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Mikrowellenplasmen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche mindestens eine Mikrowelleneinspeisung aufweist, die von mindestens einem dielektrischen Rohr (3) umgeben ist, wobei jedes dielektrische Rohr an seinen Stirnseiten mit Wänden (5, 6) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Mikrowelleneinspeisung und dielektrischem Rohr (3) ein dielektrisches Innenrohr (10) angebracht ist, das die Mikrowelleneinspeisung umgibt, und dass der Raum zwischen dem dielektrischem Rohr (3) und dielektrischem Innenrohr (10) von einer dielektrischen Flüssigkeit durchströmt werden kann, und dass beide Wände (5, 6) jeweils mindestens einen Durchlass (8, 9) aufweisen, durch den eine Flüssigkeit geleitet werden kann.