DE102007039758B4

DE102007039758B4 - Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch niederfrequente induktive Anregung

Info

Publication number: DE102007039758B4
Application number: DE200710039758
Authority: DE
Inventors: Christian Teske; Prof. Dr. Jacoby Joachim
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Current assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-08-23
Also published as: WO2009024347A1; DE102007039758A1

Abstract

Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung, umfassend einen Behälter (12) mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, und eine Induktivität (18), die mit dem Gas induktiv gekoppelt ist, sowie eine Leistungsquelle, die geeignet ist, in der Induktivität (18) ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfrequenz ν von unter 200 kHz zu erzeugen, wobei der Behälter (12) sphärisch oder näherungsweise sphärisch ist und die Induktivität (18) durch eine Spule gebildet wird, die den Behälter (12) umgibt, wobei ferner der Behälter (12) einen Äquatorbereich (42) umfaßt, in dem seine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert Amax auf einen Wert von Amax/2 abfällt, und zwei Polbereiche (44) umfaßt, in denen die Querschnittsfläche von Amax/2 auf Null abfällt, wobei mindestens eine Windung (18b, 18c) der Spule den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Äquatorbereich (42) umgibt und mindestens jeweils eine Windung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 22.
Induktiv gekoppelte Plasmen wurden seit mindestens 100 Jahren erzeugt und untersucht, wie beispielsweise bei J. Hopwood, „Review of inductively coupled plasmas for plasma processing”, Plasma Sources Science and Technology, 1 (1992) 109–116 beschrieben ist. Ein besonderer Vorteil der Erzeugung eines Plasmas durch induktive Kopplung besteht darin, daß keine Elektroden in direktem Kontakt mit dem Plasma stehen müssen. Eine Einrichtung der eingangs genannten Art umfaßt ein Behälter mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, und eine Induktivität, z. B. eine Spule, die mit dem Gas induktiv gekoppelt ist. Bei der induktiven Kopplung kann man die Induktivität als Primärwicklung eines Transformators auffassen, die in dem Gas ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der sich zeitlich ändernde magnetische Fluß induziert in dem Gas eine elektromotorische Kraft, die bei ausreichender Stärke ein Plasma zünden und aufrechterhalten kann. Die Entladung im Gas stellt dabei ein elektrisch leitendes Fluid dar, und der Ladungsfluß im Plasma kann als eine einzelne Sekundärwicklung angesehen werden, die mit der Induktivität als Primärwicklung effektiv einen Transformator bildet.
Gegenwärtig werden induktiv gekoppelte Plasmen üblicherweise im Hochfrequenzspektrum angeregt. Dabei werden in den meisten Fällen kommerziell erhältliche 13,56 MHz Anregungsquellen verwendet.
Die Anmeldeschriften EP 0 849 766 A2 und WO 2003/030207 A1 offenbaren Plasmaerzeugungseinrichtungen zur Verwendung vornehmlich in der Halbleiterherstellung, bei denen ein Plasma in einem zylindrischen, von einer Spule umwickelten Behälter induktiv mit Wechselstrom angeregt wird. Als Anregungsfrequenz nennt die EP 0 849 766 A2 den Bereich von 100 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise 300 kHz bis 3 MHz, die Anmeldeschrift WO 2003/030207 A1 ein Spektrum von 10 kHz bis 3 GHz, vorzugsweise aber 400 kHz bis 2 MHz.
Die Patentschrift DE 198 25 056 C1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum induktiven Einspeisen von Elektroenergie in ein Plasma im Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz. Die Anregung erfolgt über eine Ansteuerelektronik mit einem Endstufentreiber und einer Folgestufe aus zwei MOSFET und einem Hochspannungs-IGBT. Mit geeigneten Pulsmustern wird Energie in Form gepulster Gleichspannung oder Wechselspannung in die Plasmaquelle eingespeist.
Die US 5,521,351 A zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln des Innenraums eines Hohlkörpers mit Plasma. Der Innenraum des zu behandelnden Körpers wird zuerst evakuiert und dann mit einem Plasmagas gefüllt, so dass der Druck im Inneren des Hohlkörpers höher ist als außerhalb. Der hohle Körper ist von einer Induktionsspule umgeben, die an die Außenform des Körpers angepasst ist. Die Körper können insbesondere sphärisch sein. Durch Anlegen eines Wechselstromsignals an die Induktionsspule wird im Inneren des Körpers ein Plasma erzeugt. Die Anregungsfrequenzen liegen bei 450 kHz bis 27,1 MHz und beträgt im bevorzugten Ausführungsbeispiel bei 13,56 MHz.
Der weitere Fortschritt bei der Erzeugung von induktiv angeregten Niederdruck-Entladungsplasmen wird vor allen Dingen von den zukünftig erreichbaren Elektronendichten abhängig sein. Obwohl die anteilsmäßige Ionisierung bei herkömmlichen induktiv gekoppelten Plasmen höher ist als bei kapazitiv gekoppelten Plasmen, ist sie doch insgesamt relativ niedrig. Gegenwärtig läßt sich durch induktive Anregung nur ein Bruchteil von 0,01 bis 0,1 der Gasatome im Plasma ionisieren. Wenn beispielsweise Entladungsplasmen für Belichtungsanwendungen mit einer Komponente im UV-Spektrum verwendet werden soll, wäre ein höheres Verhältnis von Ionen zu neutralen Atomen von großem Vorteil, da das Emissionsspektrum der angeregten Ionen im Vergleich zu demjenigen der angeregten neutralen Atome bei höheren Energien liegt. Im allgemeinen ist ein höherer Ionisationsgrad auch deshalb von Vorteil, weil sich dann bei gegebenem Gasdruck höherer Elektronendichten ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch induktive Anregung anzugeben, mit denen sich höhere Elektronendichten im Plasma erreichen lassen.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird bei der Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas eine Leistungsquelle verwendet, die geeignet ist, in der Induktivität ein Wechselstromsignal mit einer Anregungs-Frequenz ν von unter 200 kHz, vorzugsweise unter 100 kHz, besonders vorzugsweise von 1 kHz bis 50 kHz und insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz zu erzeugen. Dabei weist der Begriff „Wechselstromsignal” darauf hin, daß der Anregungsstrom in der Induktivität nicht notwendigerweise ein CW-Signal sein muß, sondern es kann sich auch beispielsweise um eine gedämpfte Schwingung mit nur einigen wenigen Nulldurchgängen handeln.
Der wesentliche Unterschied der Erfindung gegenüber bekannten Einrichtungen und Verfahren zur Erzeugung induktiv gekoppelter Plasmen besteht in den vergleichsweise sehr niedrigen Anregungsfrequenzen im kHz-Bereich. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich höhere Elektronendichten als in bisherigen Einrichtungen und Verfahren durch Absenken der Anregungsfrequenz erreichen lassen. Der Zusammenhang zwischen der Anregungsfrequenz und der erreichbaren Elektronendichte ergibt sich wie folgt.
Im allgemeinen wird bei einer induktiv gekoppelten Plasmaentladung die Leistung des anliegenden elektrischen Feldes innerhalb einer gewissen Skintiefe δ übertragen, siehe z. B. J. T. Gudmundsson and M. A. Liebermann: „Magnetic induction and plasma impedance in a planar inductive discharge”, Plasma Sources Science and Technology, 7 (1998) 83–95. Bei einem stoßdominierten Plasma, d. h. bei einem Plasma, bei dem die Frequenz ν_c der Kollisionen zwischen Elektronen und Neutralgasteilchen sehr viel größer als die Anregungsfrequenz ν ist, wurde gezeigt, daß eine maximale Effizienz der Einkopplung von Energie bei einer Skintiefe von δ = 0,57r_p (1) auftritt, wobei r_p der Radius des Plasmas ist, der in guter Näherung mit dem Radius des Entladungsbehälters gleichgesetzt werden kann. Die obige Gleichung (1) ist bei M. A. Lieberman und A. J. Lichtenberg: „Principles of Plasma Discharges and Materials Processing”, Wiley & Sons, New Jersey, 2005 und bei J. Reece Roth: „Industrial Plasma Engineering Volume 1”, IoP (Institute of Physics Publishing), 2003 hergeleitet. Dies bedeutet, daß die Skintiefe durch den konstrutiven Aufbau bereits im wesentlichen festgelegt ist. Für die Dichte der von dem Plasma absorbierten Leistung ẇ_abs gilt folgende Beziehung:
wobei E die elektrische Feldstärke und σ_p die räumlich und zeitlich gemittelte Leitfähigkeit des Plasmas ist, für die gilt
Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (3) in die Gleichung (2) ergibt sich folgende Beziehung:
Aus Gleichung (4) erkennt man, daß die vom Plasma absorbierte Leistungsdichte invers proportional zur Anregungsfrequenz ν ist. Dies bedeutet also, daß sich unter sonst gleichen Bedingungen, wie induzierte Feldstärke E_eff und Plasmaradius r_p mit niederfrequent angeregten Plasmen höhere Leistungsdichten erzielen lassen. Da wie eingangs erwähnt bei herkömmlichen induktiv gespeisten Plasmen Anregungsfrequenzen im MHz-Bereich verwendet werden, sollte sich die absorbierte Leistungsdichte wesentlich erhöhen lassen, wenn die Anregungsfrequenz gemäß der Erfindung abgesenkt wird, und insbesondere eine Anregungsfrequenz von unter 200 kHz verwendet wird. Dies wurde in ersten Experimenten auch bestätigt.
Das Ergebnis von Gleichung (4) erlaubt auch eine Abschätzung der erreichbaren Elektronendichten. Im Geltungsbereich der Gleichung (1) skaliert die Elektronendichte n_e linear mit der eingespeisten Leistung, wie beispielsweise von Hopwood et al. experimentell bestätigt wurde, siehe J. Hopwood et al.: J. Vac. Sci. Technol. All: 152, (1993). Für die im Plasma dissipierte Leistung gilt dann: Ẇ_diss = n_eu_BA_effW_T, (5) wobei u_B die Bohm'sche Geschwindigkeit ist, A_eff die effektive Oberfläche des Entladungsbehälters und W_T der totale Energieverlust pro erzeugtem Ladungsträgerpaar nach Liebermann und Lichtenberg (siehe oben), der sich aus Strahlungsverlusten und Verlusten an kinetischer Energie zusammensetzt, die auftritt, wenn die Ladungsträger die Gefäßwand erreichen. Die „effektive Oberfläche” A_eff entspricht bei sphärischen Behältern der geometrischen Oberfläche, kann jedoch bei anderen Gefäßformen, beispielsweise zylindrischen Gefäßen, ungefähr 10% geringer als die geometrische Oberfläche sein.
Die dissipierte Leistung Ẇ_diss nach Gleichung (5) muß aufgrund der Energieerhaltung der insgesamt im Plasma absorbierten Leistung entsprechen. Die insgesamt absorbierte Leistung Ẇ_abs entspricht dem Volumintegral über die Leistungsdichte von Gleichung (4), die in einer qualitativen Betrachtung jedoch approximiert werden kann, indem die Leistungsdichte von Gleichung (4) mit dem Volumen V_p des Plasmas multipliziert wird, wodurch man erhält:
Durch Gleichsetzen von Gleichungen (5) und (6) (Energieerhaltung) erhalten wir folgenden genäherten Ausdruck für die Elektronendichte:
Wie Gleichung (7) zu entnehmen ist, ist die Elektronendichte n_e in der Tat invers proportional zur Anregungsfrequenz ν, was wiederum bedeutet, daß sich höhere Elektronendichten n_e bei niedrigeren Anregungsfrequenzen erhalten lassen. Daher löst die Erfindung die oben genannte Aufgabe durch die Verwendung niedrigerer Anregungsfrequenzen als im Stand der Technik.
Ferner erkennt man, daß die Elektronendichte n_e proportional zum Verhältnis zwischen dem Volumen V_p und der effektiven Oberfläche A_eff ist. Dies bedeutet erstens, daß sich höhere Elektronendichten bei größeren Behältern erreichen lassen. Zweitens bedeutet dies, daß eine kugelförmige, d. h. sphärische Behältergeometrie, bei der das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche maximal ist, ebenfalls für das Erreichen einer hohen Elektronendichte n_e vorteilhaft ist.
Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anregungsfrequenzen ν verwendet werden sollen, die rund drei Größenordnungen unter denjenigen liegen, die bei herkömmlichen induktiv gekoppelten Plasmen verwendet werden, wird eine vollständig neue Elektronik zum Antreiben der Induktivität benötigt. Eine Schwierigkeit liegt darin, daß zum Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas eine gewisse induzierte elektrische Feldstärke notwendig ist. Mit anderen Worten muß die effektive Feldstärke E_eff aus der obigen Gleichung (4) einen minimalen Wert übersteigen, damit es überhaupt zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas kommt. Die induzierte Feldstärke ist ihrerseits abhängig von der Höhe der zeitlichen Ableitung des magnetischen Flusses im Plasmabehälter, der wiederum proportional zur zeitlichen Ableitung der Stromstärke in der Induktivität ist. Man kann also davon ausgehen, daß gewisse Stromanstiegsraten in der Induktivität nicht unterschritten werden dürfen, damit es zum Zünden und Aufrechterhalten eines Plasmas kommt. Je geringer die Anregungsfrequenz, desto höher muß die Stromamplitude in der Induktivität gewählt werden, um eine ausreichende Stromanstiegsrate zu erhalten. Um die erfindungsgemäßen niedrigen Anregungsfrequenzen vewenden zu können, muß daher also eine Leistungsquelle bereitgestellt werden, die geeignet ist, in der Induktivität ein Wechselstromsignal mit sehr hoher Amplitude zu erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Leistungsquelle mindestens einen Kondensator, der auf eine Betriebsspannung aufladbar ist, und mindestens ein Schaltelement, welches in einen leitenden Zustand schaltbar ist und so angeschlossen ist, daß sich der mindestens eine Kondensator im leitenden Zustand des Schaltelementes durch die Induktivität entladen kann. Wie unten anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird, lassen sich mit einem derartigen Aufbau unter Verwendung moderner Leistungsschaltelemente ausreichend hohe Stromstärken erzeugen, die selbst bei den sehr niedrigen Anregungsfrequenzen der Erfindung zu einer Zündung des Plasmas führen.
Vorzugsweise bilden der mindestens eine Kondensator und die Induktivität Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises, dessen Eigenfrequenz der genannten Anregungsfrequenz ν entspricht. Nach dieser Weiterbildung wird also das genannte Wechselstromsignal in einem elektrischen Schwingkreis gebildet, der den Kondensator und die Induktivität enthält. Die Induktivität L₀ und die Kapazität C₀ des Kondensators können dann so abgestimmt werden, daß der Schwingkreis mit der gewünschten Anregungsfrequenz schwingt. Bei der Schwingung des Schwingkreises handelt es sich um eine gedämpfte Schwingung, zum einen aufgrund des ohmschen Widerstands der Induktivität, vor allem aber wegen der induktiven Kopplung mit dem Plasma, die ja gewünscht ist, um Energie aufs Plasma zu übertragen. Durch diese beiden Dämpfungsquellen ergibt sich einerseits eine gegenüber dem ungedämpften Schwingkreis verringerte Eigenfrequenz und zum anderen das bekannte Abklingen der gedämpften Schwingung. Ein solches abklingendes gedämpftes Schwingungssignal ist ein Beispiel des oben genannten „Wechselstromsignals”.
Wie eingangs erwähnt wurde, muß die Stromanstiegsrate in der Induktivität ausreichend groß sein, um eine Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die Leistungsquelle so konstruiert, daß folgende Beziehung gilt:
wobei ν wiederum die Anregungsfrequenz des Wechselstromsignals, I₀ die maximale Amplitude des Wechselstromsignals, L₀ die Induktivität und b den Umfang des Behälters in einer Ebene senkrecht zum von der Induktivität erzeugten Magnetfeld bezeichnet. Theoretische und experimentelle Untersuchungen des Erfinders haben ergeben, daß für diese Wahl der Parameter in der Tat eine Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas zu erwarten ist. Man beachte wiederum, daß gemäß der obigen Beziehung ein kleinerer Wert der Anregungsfrequenz ν eine um denselben Faktor höhere Stromstärke I₀ erforderlich macht. Dies deutet wiederum darauf hin, daß bei den angestrebten sehr kleinen Anregungsfrequenzen hohe Ströme in der Induktivität benötigt werden. Der Erfinder konnte jedoch bestätigen, daß sich ausreichend hohe Ströme mit modernen Leistungsschaltelementen schalten lassen, wie unten anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert wird.
Vorzugsweise umfaßt das Schaltelement mindestens einen Thyristor, mindestens einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode) oder mindestens einen Gasentladungsschalter wie beispielsweise ein Ignitron. Der Vorteil von Thyristoren besteht darin, daß sie besonders hohe Ströme schalten können. IGBTs können typischerweise nicht ganz so hohe Ströme schalten wie Thyristoren, haben aber dafür den Vorteil, daß sie gezielt ausgeschaltet werden können. Der Thyristor hingegen wird erst durch Unterschreiten eines Haltestroms in den Sperrzustand versetzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schaltelement zwischen dem Kondensator und dem Massepotential angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung befindet sich die Induktivität vor dem Aktivieren des Schaltelements auf Massepotential, was Vorteile bezüglich der Betriebssicherheit mit sich bringt. In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform befindet sich das Schaltelement zwischen der Induktivität und dem Massepotential. Diese Anordnung ist in sofern vorteilhaft, als sie zur Vermeidung von parasitären Induktivitäten zwischen dem Schaltelement und dem Schwingkreis beiträgt.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird das Schaltelement durch eine Vollwegbrücke gebildet, die vier Schalter, insbesondere Thyristoren und/oder IGBTs umfaßt, die paarweise abwechselnd ansteuerbar sind. Solch eine Vollwegbrücke eignet sich insbesondere für einen „Quasi-CW-Betrieb”, insbesondere bei Anwendungen mit sehr hoher Leistung, wie sie beispielsweise bei der Sterilisation von großen Mengen von Trinkwasser durch Plasmaentladungsbestrahlung erforderlich sind. Ein Beispiel einer solchen Vollwegbrücke wird in der folgenden Beschreibung gezeigt.
Vorzugsweise haben der mindestens eine Kondensator oder eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren eine Gesamtkapazität von 1 μF bis 100 μF, und besonders vorzugsweise von 6 μF bis 20 μF. Ferner ist in einer vorteilhaften Weiterbildung die Leistungsquelle dazu ausgelegt, maximale Stromanstiegsraten von 300 A/μs bis 30 kλ/μs, vorzugsweise von 1 kM/μs bis 10 kM/μs zu erzeugen. Ferner beträgt die Induktivität L₀ vorzugsweise zwischen 1 μH bis 10 μH, und besonders vorzugsweise 1,5 μH bis 2,5 μH.
Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, muß die Leistungsquelle dazu ausgelegt sein, relativ hohe Ströme mit verhältnismäßig hohen Stromanstiegsraten zu erzeugen. Jedoch zeigen die Parameterbereiche der bevorzugten Ausführungsformen, daß dies mit modernen Leistungselektronikbauteilen durchaus möglich ist, und weitere konkrete Beispiele werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen gezeigt. Gleichzeitig hat jedoch der hier beschriebene Weg zusätzlich zu der potentiell höheren erreichbaren Elektronendichte auch weitere praktische Vorteile gegenüber herkömmlichen induktiven Plasmaanregungen im MHz-Bereich. Zum einen ist die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Leistungsquelle in ihrem Aufbau wesentlich einfacher als HF-Quellen, und die bekannten EMV-Probleme der Hochfrequenztechnologie entfallen nahezu vollständig. Auch ist die kapazitive Kopplung zwischen der Induktivität und dem Plasma im Vergleich zur HF-Anregung vernachlässigbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Plasmaanregung besteht darin, daß das Plasma bereits aufgrund der verwendeten hohen Ströme eingeschlossen bzw. lokalisiert ist. Diesen Einschluß des Plasmas bezeichnet man in der Literatur oft als „confinement”. Bei HF-Plasmen werden statt dessen zusätzliche Spulen zum Lokalisieren des Plasmas benötigt, die bei der Erfindung wegfallen können. Obwohl also die ursprüngliche Motivation der Erfindung darin bestand, höhere Elektronendichten zu erzeugen, hat die Erfindung auch unabhängig davon eine Reihe konstruktive Vorteile, die bei HF-Anregung fehlen.
Die Induktivität wird vorzugsweise durch eine Spule gebildet, die den Behälter umgibt. Die Spule hat dabei vorzugsweise eine Windungszahl n₀ von zwei bis acht, und besonders vorzugsweise von vier bis sechs. Höhere Windungszahlen, die eine höhere Induktivität L₀ mit sich brächten, sind deshalb unvorteilhaft, weil sie eine Erhöhung der Ladespannung des Kondensators erforderlich machen würden, die wiederum unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit und Praktikabilität nicht wünschenswert ist. Wie eingangs erwähnt wurde, ähnelt nämlich die Wechselwirkung zwischen der Induktivität und dem Plasma derjenigen zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule eines Transformators, wobei die „Sekundärspule” durch den Ladungsstrom im Plasma gebildet wird und somit, um im Transformatorbild zu bleiben, lediglich eine „Windung” aufweist. Da die an der Induktivität anliegende Spannung gemäß dem Windungsverhältnis heruntertransformiert wird, sind Windungszahlen von weniger als acht im Hinblick auf die im Plasma induzierte Spannung vorteilhaft, weil dann die Primärspannung in einem unter praktischen Gesichtspunkten handhabbaren Bereich bleiben kann, beispielsweise unter 10 kV.
Vorzugsweise ist der Behälter, d. h. das Entladungsgefäß sphärisch oder näherungsweise sphärisch. Ein sphärischer, d. h. kugelförmiger Behälter hat den Vorteil, daß er ein großes Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche hat, was nach der obigen Gleichung (7) wiederum eine höhere Elektronendichte erlaubt. Insofern ist ein sphärischer Behälter für die Zwecke der Erfindung ideal. Ein „näherungsweise sphärischer” Behälter ist in der vorliegenden Schrift ein Behälter, dessen Form demjenigen eines sphärischen Behälters zumindest insofern ähnelt, als er ein Verhältnis von Volumen zur Oberfläche hat, das um weniger als 20% von demjenigen eines exakt sphärischen Behälters gleichen Volumens abweicht.
Ein sphärischer und ein „näherungsweise sphärischer” Behälter im Sinne der Offenbarung stimmen im übrigen insofern überein, als der Behälter einen Äquatorbereich umfaßt, in dem die Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert A_max auf einen Wert von A_max/2 abfällt, und zwei Polbereiche aufweist, in denen die Querschnittsfläche von A_max/2 auf Null abfällt. Insofern ist beispielsweise ein zylindrischer Behälter nicht „näherungsweise sphärisch”, weil er keinen Äquatorbereich und keine Polbereiche nach dieser Definition umfaßt.
Vorzugsweise umgibt mindestens eine der Windungen der Induktivität den Behälter zumindest teilweise in dessen Äquatorbereich und umgibt mindestens jeweils eine Windung den Behälter zumindest teilweise in dessen Polbereichen. Dabei weist der Begriff „zumindest teilweise” darauf hin, daß die Windung auch auf der Grenze zwischen dem Äquatorbereich und einem Polbereich liegen kann, was aufgrund der verhältnismäßig großen Breite der Leiterbänder der Induktivität durchaus den Fall sein kann. Gemäß dieser Weiterbildung gibt es also mindestens eine Windung im Äquatorbereich, die die Wirkung einer herkömmlichen Zylinderspule hat, und mindestens jeweils eine Windung in jedem der Polbereiche, die ihrer Wirkung nach einer planaren Spule ähnlich sind, die in der Fachliteratur auch als „pancake coil” bezeichnet wird.
Planare Spule haben den Vorteil, daß sie Streuflüsse verringern und dadurch eine erhöhte Kopplungseffizienz erlauben. In der hier beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung kann die Spulenanordnung als Kombination einer herkömmlichen Zylinderspule und einer herkömmlichen Planarspule aufgefaßt werden, die die Vorteile beider Anordnungen vereint. Tatsächlich führt der hier beschriebene Aufbau dazu, daß ein ausreichender Teil der Streuflüsse in dem Plasma enthalten ist, wodurch eine erhöhte magnetische Kopplung und somit eine erhöhte Effizienz des Energietransfers zwischen der Induktivität und dem Plasma erreicht wird. Gleichzeitig ist die kapazitive Kopplung zwischen der Spule und dem Plasma trotz der Verwendung einer einer planaren Spule ähnlichen Geometrie im Vergleich zu einem HF-Betrieb vernachlässigbar.
Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung eine Steuerung, die geeignet ist, das mindestens eine Schaltelement periodisch mit einer Pulsfrequenz so anzusteuern, daß es in seinen leitfähigen Zustand schaltet. Dadurch wird ein gepulster Betrieb der Einrichtung erreicht. Die Pulsfrequenz beträgt dabei mindestens 1 Hz, vorzugsweise mindestens 10 Hz und besonders vorzugsweise mindestens 50 Hz. Wenn das Wechselstromsignal beispielsweise innerhalb von 150 bis 200 μs abfällt, sind bei solchen Pulsfrequenzen die Anregungspulse bezogen auf ihre Länge jedoch immer noch zeitlich relativ weit voneinander entfernt, oder mit anderen Worten ist das Tastverhältnis verhältnismäßig niedrig. Durch Einstellen des Tastverhältnisses kann die Leistung der Einrichtung vorgegeben werden. Die Leistung kann erhöht werden, indem die Pulsfrequenz erhöht wird, bis im Extremfall ein „quasikontinuierlicher”, d. h. ein „Quasi-CW”-Betrieb erreicht wird. Ein echter CW-Betrieb scheidet für die meisten Anwendungen sicherlich aus, weil Stromstärken im Bereich von kA und Spannungen im Bereich von kV Spitzenimpulsleistungen im MW-Bereich implizieren. Lediglich in sehr großen Entladungskammern, deren Größenordnung im Bereich von 1 m bis 10 m liegen würde, könnte ein CW-Betrieb in Frage kommen.
Die hier beschriebene Einrichtung zum Erzeugen eines induktiv gekoppelten Plasmas kann in einer Vielzahl von Anwendungen auf vorteilhafte Weise eingesetzt werden. Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht in einer Einrichtung zum Sterilisieren von Trinkwasser, bei der das zu sterilisierende Wasser in unmittelbarer Nähe einer Plasmaentladungsquelle vorbeigeführt oder durch sie hindurch geleitet wird, wobei die Plasmaentladungsquelle eine Einrichtung zur Plasmaerzeugung nach einer der oben beschriebenen Arten umfaßt. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Plasmaerzeugung ist für die Anwendung der Trinkwasseraufbereitung besonders vorteilhaft, weil sie eine hohe Leistung und hohe Elektronendichten ermöglicht und gleichzeitig aufgrund des Betriebs im kHz- statt im MHz-Bereich technologisch einfacher ist und insbesondere die bekannten EMV-Probleme der Hochfrequenztechnologie umgeht. In dieser Hinsicht eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung in idealer Weise für die Trinkwasseraufbereitung.
Eine weitere sehr vorteilhafte Anwendung der Erfindung liegt in der Lithographie von Halbleiterstrukturen. Aufgrund der höheren erreichbaren Elektronendichte n_e verschiebt sich das Emissionsspektrum in Richtung kürzerer Wellenlängen, so daß die Erfindung insbesondere für die Erzeugung kurzwelligen UV-Lichts, sogenannter V-UV-Strahlung, geeignet ist, die in der Halbleiterlithographie nützlich ist. Die Einrichtung ist darüber hinaus allgemein als Lichtquelle für kurzwellige UV-Strahlung einsetzbar.
Aufgrund der hohen erzielbaren Elektronendichte eignet sich die Erfindung ferner zur Erzeugung von industriellen Prozeßplasmen, wie sie z. B. in der Halbleiterindustrie bei Ionenätzprozessen (sog. Sputtern) verwendet werden.
Aufgrund der hohen Plasmadichten und Temperaturen eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenso als Plasmatriebwerk. Hierbei wird durch elektromagnetische Induktion Elektronen-los die Enthalpie eines Arbeitsgases erhöht und diese dann durch Gasexpansion über eine Düse zur Erzeugung eines Rückstoßes nutzbar gemacht.
Zum Besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im folgenden auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, die anhand spezifischer Terminologie beschrieben sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll, da derartige Veränderungen und weitere Modifizierungen an der gezeigten Einrichtung und dem gezeigten Verfahren sowie derartige weitere Anwendungen der Erfindung, wie sie darin aufgezeigt sind, als übliches derzeitiges oder künftiges Fachwissen eines zuständigen Fachmanns angesehen werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung nämlich:
1 eine geschnittene Seitenansicht einer Plasmaerzeugungseinrichtung;
2 eine Vorderansicht einer Plasmaerzeugungseinrichtung;
3 eine Hinteransicht einer Plasmaerzeugungseinrichtung;
4 eine Hinteransicht einer alternativen Plasmaerzeugungseinrichtung, bei der das Schaltelement durch Thyristoren gebildet ist;
5 eine Querschnittsansicht des Plasmabehälters und der ihn umgebenden Spule;
6 ein Ersatzschaltbild der Plasmaerzeugungseinrichtung von 1 bis 3;
7 ein Ersatzschaltbild der Plasmaerzeugungseinrichtung von 4;
8 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführung einer Plasmaerzeugungseinrichtung;
9 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführung einer Plasmaerzeugungseinrichtung, die eine Vollwegbrückenschaltung mit Thyristoren verwendet;
10 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführung einer Plasmaerzeugungseinrichtung, die einen IGBT als Schaltelement verwendet; und
11 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführungsform einer Plasmaerzeugungseinrichtung, die eine Vollwegbrückenschaltung mit vier IGBTs verwendet.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform 10 einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung nach einer Weiterbildung der Erfindung. 2 zeigt eine Vorderansicht der Einrichtung 10 von 1 und 3 eine Hinteransicht.
Die Einrichtung 10 von 1 bis 3 umfaßt einen sphärischen Behälter 12, in dem sich ein Edelgas, beispielsweise Argon bei einem geringen Druck von beispielsweise 12 Pa befindet. Der Behälter 12, der auch als Entladungsgefäß bezeichnet wird, hat an seinem oberen und seinem unteren Ende je einen sogenannten CF-35-Flansch 14. Ferner ist der Behälter 12 mit einer Gaszufuhr 16 verbunden, durch die das Edelgas in den Behälter 12 einführbar ist.
Der Behälter 12 ist von vier Windungen 18a bis 18d einer Induktionsspule 18 umgeben, die von einer Spulenhalterung 20 aus einem elektrisch isolierenden Material (z. B. DURATEC) besteht. Die Windungen 18a bis 18d sind untereinander durch elektrisch leitende Verbindungselemente 22 verbunden, die in 1 im Detail und in 3 schematisch gezeigt sind. Die vier Windungen oder Segmente 18a bis 18d bilden zusammen eine Spule mit einer Gesamtinduktivität von 2,1 μH.
Wie insbesondere in 3 zu erkennen ist, sind auf der Rückseite der Einrichtung 10 zwei Kondensatoren 24 vorgesehen, die parallel geschaltet sind und gemeinsam eine sogenannte Kondensatorbank bilden. Die Kondensatoren 24 haben jeweils einen ersten Anschluß 26, der über eine Stromzufuhr 28 mit einer Spannungsversorgung (nicht gezeigt) verbunden ist. Die Kondensatoren 24 haben jeweils eine Kapazität von 6 μF, also gemeinsam eine Gesamtkapazität von C₀ = 12 μF. Über die Stromzufuhr 28 werden die Kondensatoren 24 mit einer Vorladespannung von 4100 V aufgeladen.
Die Kondensatoren 24 haben ferner jeweils einen zweiten Anschluß 30, die beide mit einem ersten Ende 32 der Spule 18, d. h. in der Darstellung von 1 bis 3 oberen Ende der Spule 18, verbunden sind. Ein zweites, in der Darstellung von 1 bis 3 unteres Ende 34 der Spule 18 ist mit einem Schaltelement 36 verbunden, bei dem es sich in der Darstellung von 1 bis 3 um einen Gasentladungsschalter, ein sogenanntes Ignitron handelt.
In 5 ist ein Ersatzschaltbild der ersten Ausführungsform von 1 bis 3 gezeigt, wobei sich die Bezugszeichen auf die Komponenten von 1 bis 3 beziehen. In dem Schaltbild von 6 ist die Spule 18 durch eine Reihenschaltung einer Induktivität L₀ von 2,1 μH und eines Widerstands R₀ von 8 mΩ repräsentiert.
Im folgenden wird die Funktion der Plasmaerzeugungseinrichtung 10 von 1 bis 3 und 5 erläutert. Zu einem gewissen Zeitpunkt t = 0 ist der Kondensator 24 mit Kapazität Co mit der Ladespannung von 4100 V aufgeladen. Ferner wird zum Zeitpunkt t = 0 ein Steuersignal am Steuereingang 38 des Ignitrons 36 (siehe 5) angelegt, woraufhin das Ignitron 36 in einen leitenden Zustand geschaltet wird. Der Kondensator 24 entlädt sich durch die Spule 18 hindurch mit einem maximalen Strom I₀ von 9,6 kA und mit einer Stromanstiegsrate von über 1 kA/μs (im gezeigten Ausführungsbeispiel konkret 1,8 kA/μs). Durch den rapiden Stromanstieg wird im Gas innerhalb des Behälters 12 ein sich zeitlich stark ändernder magnetischer Fluß erzeugt, der seinerseits ein elektrisches Feld induziert, welches zum Zünden eines Plasmas ausreicht.
Da die Plasmaentladung als elektrisch leitfähiges Fluid betrachtet werden kann, welches von der Spule 18 umgeben ist, bildet sie gewissermaßen eine einzelne Sekundärwindung eines gedachten Transformators mit einer Induktivität L_p und einem ohmschen Plasmawiderstand R_p. Der Kondensator 24 mit Kapazität Co und die Spule 18 mit der Widerstand R₀ und Induktivität L₀ bilden einen gedämpften elektrischen Serienschwingkreis, so daß die Spannung am Kondensator 24 mit einer Frequenz ν oszilliert und der Strom mit derselben Frequenz in der Spule 18 hin und her läuft. Die Frequenz ν des Schwingkreis ergibt sich aus den Parametern C₀, R₀ und L₀, wobei als weitere und weitaus wesentlichere Dämpfungskomponente noch die Dämpfung durch das angekoppelte Plasma hinzukommt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ergibt sich eine Frequenz von ν = 29 kHz, die gleichzeitig die Anregungsfrequenz des Plasmas ist. Die Oszillation des Schwingkreises dauert für rund 150 bis 200 μs an, während derer das Plasma gezündet und aufrechterhalten wird, danach erlischt es.
Durch den beschriebenen Aufbau läßt sich also ein Plasma durch induktive Kopplung mit einer Anregungsfrequenz erzeugen, die mit lediglich 29 kHz um rund drei Größenordnungen unter den üblichen Anregungsfrequenzen liegt. Wie eingangs erwähnt wurde, läßt sich bei derart niedrigen Anregungsfrequenzen eine höhere Elektronendichte im Plasma erzeugen. Erste spektroskopische Untersuchungen des Plasmas weisen in der Tat auf eine deutlich erhöhte Elektronendichte hin.
Nach dem Erlöschen des Plasmas wird der Kondensator 14 wieder aufgeladen, bis das Ignitron 36 durch ein weiteres Steuersignal für eine erneute Entladung des Kondensators in den leitfähigen Zustand geschaltet wird. Es ergibt sich also ein gepulster Betrieb mit einer Entladungsphase von rund 150 bis 200 μs und einer Dunkelphase bis zum nächsten Steuersignal. Das Steuersignal wird von einer Steuerung (nicht gezeigt) mit einer periodischen Pulsfrequenz ausgegeben, die ihrerseits das Tastverhältnis bzw. die zeitlich gemittelte Leistung der Einrichtung vorgibt. Die Pulsfrequenz kann beispielsweise 50 Hz betragen. Da die Leistung während der Pulsspitzen im MW-Bereich liegt, wird die Periodendauer der Pulsfrequenz im allgemeinen deutlich unter der Dauer der Entladungsphase liegen, jedoch kann bei sehr großen und leistungsstarken Anlagen, beispielsweise solchen zur Trinkwasseraufbereitung, die Pulsfrequenz so hoch gewählt werden, daß sich ein quasi-kontinuierlicher Betrieb ergibt.
4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform und 7 das zugehörige Schaltbild. Die Abwandlung besteht lediglich darin, daß anstelle des Ignitrons 36 ein Thyristorpaar 40 vorgesehen ist, das man auch als „Presspack” bezeichnet.
In 5 ist der Behälter 12 mit der umgebenden Induktionsspule 18, wie sie in den Ausführungsformen von 1 bis 4 verwendet werden, separat dargestellt. Der Behälter 12 hat einen Durchmesser von 20,3 cm und eine sphärische Gestalt. Die Windungen 18a bis 18d der Induktionsspule 18 bestehen aus Kupfer und haben einen rechteckigen Querschnitt von 2 mm × 20 mm.
Der Behälter 12 von 5 läßt sich in einen Äquatorbereich 42 und zwei Polbereiche 44 unterteilen. Der Äquatorbereich 42 ist hier definiert als der Bereich, der eine Äquatorebene 46 enthält, d. h. eine Ebene, in der die Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zur Richtung des induzierten Magnetfeldes B → seinen Maximalwert annimmt. Innerhalb des Äquatorbereichs 42 nimmt die Querschnittsfläche des Behälters 12 nach oben und nach unten kontinuierlich ab, bis die Grenze zum jeweilig benachbarten Polbereich 44 erreicht wird. Die Grenze zum Polbereich ist in der vorliegenden Beschreibung definiert als der Breitengrad, bei dem die Querschnittsfläche auf die Hälfte abgesunken ist, d. h. sie liegt bei einem Breitengrad von 45° bzw. 135°°.
Wesentlich für die besonders gute Kopplung zwischen der Induktionsspule 18 und dem Plasma bei der hier gezeigten Ausführungsform ist, daß zwei Spulensegmente 18b und 18c im Äquatorbereich 42 liegen und zwei Spulensegmente 18a, 18d zumindest teilweise in je einem Polbereich 44 liegen. Obwohl sämtliche Windungen 18a bis 18d bzw. Segmente zur Erzeugung des Magnetfeldes beitragen, gibt es qualitative Unterschiede in ihrer Wirkung. Die mittleren Spulensegmente 18b und 18c wirken wie eine herkömmliche Zylinderspule. Die äußeren Spulensegmente 18a und 18d, die zumindest teilweise in den Polbereichen 44 liegen, haben eine Wirkung, die ähnlich derjenigen von bekannten Flachspulen, sogenannten „pancake coils” ist. Der Vorteil solcher Flachspulen besteht darin, daß der Magnetstreufluß im allgemeinen geringer ist, jedoch wird gemeinhin angenommen, daß ihre im Vergleich zu einer Zylinderspule erhöhte kapazitive Kopplung mit dem Plasma problematisch ist. Bei den hier verwendeten niedrigen Anregungsfrequenzen spielt jedoch die kapazitive Kopplung eine vergleichsweise untergeordnete Rolle. Mit dem in 5 gezeigten Aufbau lassen sich die Vorteile beider Spulenanordnungen, d. h. einer herkömmlichen Zylinderspule einerseits und einer Flachspule andererseits vereinbaren. Tatsächlich führt die in 5 gezeigte Geometrie in den durchgeführten Experimenten zu einem Kopplungswirkungsgrad von 0,8, d. h. es wird 80% der Energie des Kondensators auf das Plasma übertragen, und es sind mit einem leicht abgewandelten Aufbau sogar Kopplungswirkungsgrade von 0,9 erreichbar.
Ein weiterer Grund für die sehr hohe Kopplungseffizienz liegt darin, daß die Spulensegmente 18a bis 18d sehr dicht an den Behälter 12 anliegen, mit einem maximalen Zwischenraum von 3 mm. Ein weiterer Vorteil der sphärischen Geometrie des Behälters 12 liegt darin, daß bei ihr das Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche maximal ist, was gemäß der obigen Gleichung (7) eine erhöhte Elektronendichte erlaubt.
Die hier konkret beschriebene Ausführungsform dient vor allem zum Demonstrieren der Prinzipien der Erfindung, und viele Abwandlungen sind möglich. Vielversprechend sind insbesondere Anwendungen mit größeren Behältern und Kondensatoren höherer Kapazitäten. Im folgenden werden einige Abwandlungen hinsichtlich der Leistungsquelle bzw. der Schaltung der Komponenten diskutiert.
8 zeigt ein alternatives Ersatzschaltbild, welches demjenigen von 7 grundsätzlich ähnlich ist. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Thyristor 40 hier nicht zwischen der Spule 18 und dem Massepotential, sondern zwischen dem Kondensator und dem Massepotential angeordnet ist. Man beachte, daß in der Darstellung von 8 der Thyristor mit Durchlaß in Gegenrichtung der Einfachheit halber weggelassen wurde. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Spule während des Ladevorgangs des Kondensators auf Massepotential liegt, und nicht, wie in der Anordnung von 7, auf Hochspannung. Die Anordnung von 7 hat jedoch den Vorteil, daß die parasitäre Induktivität zwischen dem Schaltelement 14 und dem Schwingkreis geringer ist.
9 zeigt ein weiteres Ersatzschaltbild, bei der das Schaltelement durch eine Vollwegbrücke aus vier Thyristoren TH1 bis TH4 gebildet wird. Bei dieser Brückenschaltung werden die Thyristoren TH1 und TH3 bzw. TH2 und TH4 abwechselnd angesteuert, so daß der Serienschwingkreis wechselseitig mit der Ladespannung von einer Stromquelle C_L angesteuert wird. Diese Thyristor-Vollwegbrücke eignet sich besonders gut für einen „Quasi-CW-Betrieb”.
Die Ersatzschaltbilder von 10 und 11 entsprechen denjenigen von 8 und 9, außer daß die Thyristoren durch IGBTs ersetzt sind.
Obgleich in den Zeichnungen und der vorherigen Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, daß nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen.
Bezugszeichenliste

10: Einrichtung zur Plasmaerzeugung
12: Behälter
14: Flansch
16: Gaszufuhr
18: Induktionsspule
20: Spulenhalterung
22: Verbindungselemente zwischen Spulensegmenten
24: Kondensator
26: erster Anschluß des Kondensators 24
28: Stromzufuhr
30: zweiter Anschluß des Kondensators 24
32: erstes Ende der Spule 18
34: zweites Ende der Spule 18
36: Ignitron
38: Steuereingang des Ignitrons
40: Thyristorpaar
42: Äquatorbereich
44: Polbereiche
46: Äquatorebene

Claims

Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung, umfassend einen Behälter (12) mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, und eine Induktivität (18), die mit dem Gas induktiv gekoppelt ist, sowie eine Leistungsquelle, die geeignet ist, in der Induktivität (18) ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfrequenz ν von unter 200 kHz zu erzeugen, wobei der Behälter (12) sphärisch oder näherungsweise sphärisch ist und die Induktivität (18) durch eine Spule gebildet wird, die den Behälter (12) umgibt, wobei ferner der Behälter (12) einen Äquatorbereich (42) umfaßt, in dem seine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert A_max auf einen Wert von A_max/2 abfällt, und zwei Polbereiche (44) umfaßt, in denen die Querschnittsfläche von A_max/2 auf Null abfällt, wobei mindestens eine Windung (18b, 18c) der Spule den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Äquatorbereich (42) umgibt und mindestens jeweils eine Windung (18a, 18d) der Spule den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Polbereichen (44) umgibt, und eine Querschnittsfläche aufweist, die geringer als A_max ist.
Einrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die Leistungsquelle geeignet ist, in der Induktivität (18) ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfrequenz ν von unter 100 kHz, vorzugsweise von 1 kHz bis 50 kHz und insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz zu erzeugen.
Einrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Leistungsquelle mindestens einen Kondensator (24) umfaßt, der auf eine Betriebsspannung aufladbar ist, und mindestens ein Schaltelement (36, 40) umfaßt, welches in einen leitenden Zustand schaltbar ist und so angeschlossen ist, daß sich der mindestens eine Kondensator (24) im leitenden Zustand des Schaltelements (36, 40) durch die Induktivität (18) hindurch entladen kann.
Einrichtung (10) nach Anspruch 3, bei der der mindestens eine Kondensator (24) und die Induktivität (18) Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises bilden, dessen Eigenfrequenz der genannten Anregungsfrequenz (ν) entspricht.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der für – die Amplitude I₀ des Wechselstromsignals, – die Anregungsfrequenz ν des Wechselstromsignals, – die Induktivität L₀ der Induktivität (18) und – einen Umfang b des Behälters (12) in einer Ebene senkrecht zum von der Induktivität (18) erzeugten Magnetfeld folgende Beziehung gilt:
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement mindestens einen Thyristor (40), mindestens einen IGBT oder mindestens einen Gasentladungsschalter (36) umfaßt.
Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der das Schaltelement (36, 40) zwischen dem Kondensator (24) und dem Massepotential angeordnet ist.
Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der das Schaltelement (36, 40) zwischen der Induktivität (18) und dem Massepotential angeordnet ist.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement (36, 40) durch eine Vollwegbrücke gebildet wird, die vier Schalter umfaßt, die paarweise abwechselnd ansteuerbar sind.
Einrichtung (10) nach Anspruch 9, bei der die Schalter durch Thyristoren und/oder IGBTs gebildet sind.
Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, bei der der mindestens eine Kondensator (24) oder eine Mehrzahl parallelgeschalteter Kondensatoren (24) eine Gesamtkapazität von 1 μF bis 100 μF, insbesondere von 6 μF bis 20 μF aufweist bzw. aufweisen.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wechselstromsignal maximale Stromanstiegsraten von 300 A/μs bis 30 kA/μs, insbesondere von 1 kA/μs bis 10 kA/μs aufweist.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Induktivität L₀ der Induktivität (18) 1 μH bis 10 μH, insbesondere 1,5 μH bis 2,5 μH beträgt.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spule eine Windungszahl von zwei bis acht, insbesondere von vier bis sechs hat.
Einrichtung zum Sterilisieren von Trinkwasser mit einer Plasmaentladungsquelle, die eine Einrichtung (10) zur Plasmaerzeugung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist und bei der zu sterilisierendes Wasser in unmittelbarer Nähe der Plasmaentladungsquelle vorbeigeführt oder durch sie hindurchgeführt wird.
Einrichtung zur Lithographie von Halbleiterstrukturen mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Sterilisation von Trinkwasser oder zur Belichtung in der Halbleiterlithographie.
Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung, bei dem in einer Induktivität (18), die mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, induktiv gekoppelt ist, ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfrequenz v erzeugt wird, die unter 200 kHz beträgt, wobei die Induktivität (18) durch eine Spule gebildet wird, die einen sphärischen oder näherungsweise sphärischen Behälter (12) umgibt, wobei der Behälter (12) einen Äquatorbereich (42) umfaßt, in dem seine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert A_max auf einen Wert von A_max/2 abfällt, und zwei Polbereiche (44) umfaßt, in denen die Querschnittsfläche von A_max/2 auf Null abfällt, wobei mindestens eine Windung (18b, 18c) der Spule den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Äquatorbereich (42) umgibt und mindestens jeweils eine Windung (18a, 18d) der Spule den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Polbereichen (44) umgibt, und eine Querschnittsfläche aufweist, die geringer als A_max ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Anregungsfrequenz unter 100 kHz, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 50 kHz und insbesondere zwischen 10 kHz und 30 kHz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Wechselstromsignal erzeugt wird, indem ein Kondensator (24) auf eine Betriebsspannung aufgeladen wird und mindestens ein Schaltelement (36, 40) in einen leitenden Zustand geschaltet wird, so daß sich der Kondensator (24) durch die Induktivität entlädt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der mindestens eine Kondensator (24) und die Induktivität (18) Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises bilden, dessen Eigenfrequenz der genannten Anregungsfrequenz ν entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem für – die Amplitude I₀ des Wechselstromsignals, – die Anregungsfrequenz ν des Wechselstromsignals, – die Induktivität L₀ der Induktivität (18) und – einen Umfang b des Behälters (12) in einer Ebene senkrecht zum von der Induktivität (18) erzeugten Magnetfeld folgende Beziehung gilt:
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem das Schaltelement mindestens einen Thyristor (40), mindestens einen IGBT oder mindestens einen Gasentladungsschalter (36) umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem die Spule (18) eine Windungszahl von zwei bis acht, vorzugsweise von vier bis sechs hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei dem das mindestens eine Schaltelement (36, 40) periodisch mit einer Pulsfrequenz so angesteuert wird, dass es in seinen leitfähigen Zustand schaltet.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Pulsfrequenz mindestens 1 Hz, vorzugsweise mindestens 10 Hz und besonders vorzugsweise mindestens 50 Hz beträgt.