专利名称：通过微波微结构电极放电产生局部等离子区的装置及方法
技术领域：
本发明涉及根据独立权利要求所述类型的通过微结构电极放电产生等离子区的装置及由该装置实施的方法，尤其是用于表面处理、气体化学反应或产生光。
对于用等离子方法的表面处理有利的是，尽可能接近待处理的表面或基底产生等离子区，或将一个具有精确限界的或局部等离子体积的等离子源引导到待处理基底的附近。这在现有技术中通过所谓微结构电极放电来实现，其中介电板设有电极，它们被放置在约100μm或更小的典型距离上。此类放电以公知方式在很宽的压力范围上工作并具有相对精确的等离子界面，即形成大面积、但局部窄限界的小容积等离子区。
在现有技术中，迄今微结构电极放电仅用直流电压触发及工作。对此例如可参考M.Roth等人发表的“作为固态及气态之间电子界面的微结构电极用于气相化学反应的可电控的催化剂”，1997年1月，微反应技术国际会议，法兰克福/美因；及J.W.Frame的文章“在硅中制作的微放电装置”1997年4月，Phys.Lett.，第71卷，第9期，第1165页。高频或微波激励至今没有被实现。
由Kummer著的“微波技术基础”(VEB技术出版社，1986年，柏林)还公知了通过空心导体或条形导体引导微波(“微条技术)。在条形导体(微条”)的情况下，通常在一个具有多重接地金属基板的介电基底上放置一个金属导条，将微波耦合到该导条中。如果不止一个导体延伸在该基板上，则也可去除该金属基板。
根据本发明的装置及由它实施的方法相对现有技术具有其优点，即所产生的等离子区与等离子产生装置直接地接触，及尤其是不需要该装置的一部分用作电极。因此根据本发明的整个装置的寿命及尤其是用作微结构电极的波导结构的寿命显著延长。此外，根据本发明的装置由此显著地有利于维护。
此外，由于在高频时被电流侵入的深度小，该电极材料或用于将输入微波导入该等离子产生装置中的波导结构(金属空心导体或条形导体)可保持很薄，由此使制造显著地简化。因此在频率为2.45GHz时与材料有关的厚度仅为几μm。此外，这也适合于将微波耦合到波导结构中的结构或组件。尤其是该波导结构也可有利地被蒸镀(aufdampfen)。
一个局部的或空间窄限界的等离子区的产生可通过微波以一个或最好多个彼此隔开的等离子区然后通过在波导结构旁经过或穿过它的输入气体来实现，或用它加载波导结构。由此在波导结构表面、在等离子区及由它确定的等离子体积中至少区域性地产生一个气体等离子区。
本发明的其它优点及有利的进一步构型可由从属权利要求中描述的措施得出。
对于该装置或作为微结构电极的波导结构非常有利的是，它在等离子区的周围罩上有一个介电保护层，对此特别适用的是陶瓷保护层。通过这种在直流电压工作时可不采用的保护层，微结构电极的寿命将显著地提高。
此外在制造等离子发生装置及尤其是将波导结构中的输入耦合的微波引导及放电时可借助现有技术。因此微波引导可非常有利地通过公知的空心导体结构或公知的微条结构来实现，这些结构是通过本身公知的微结构方法产生及结构化的。
由微波发生器产生的微波耦合到波导结构最好通过至少一个耦合结构来实现，该耦合结构与波导结构形成导电连接。输入微波的有利频率为300MHz至300GHz。
非常有利的是，作为气体放电或等离子发生装置的一部分、耦合入的微波的波导结构是一个金属空心导体，它最好被一种防穿透及低损耗的电介质如二氧化硅填充。但它也可由两个、尤其是平行地隔开的金属板构成的装置，在其中间的空间内填充有一种电介质。该结构由于相对封闭的空心导体其结构简单在制造工艺上很有利。
空心导体或空心导体的金属层或金属板具有的厚度或距离最好相应于输入耦合的微波的注入深度。典型值、例如由Kummer著的“微波技术基础”(VEB技术出版社，1986年，柏林)公知，在μm量级上，及空心导体或金属板的典型延伸长度和/或宽度在cm量级上。
特别有利的是，在作为波导结构的空心导体中激励和导引输入耦合微波的H10模，因为在此情况下仅是用于扩展微波的空心导体的宽度是关键的，而其长度在很大长度上可自由变化-除了有不可避免的阻尼外。
替换地，波导结构最好是至少两个金属的、尤其是平行的条状导体结构，它们延伸在一个介电的板上。这里譬如二氧化硅也适用于作板的材料。具有的厚度为几个微波注入深度的这些条形导体的制造最好通过公知的微结构方法或微条结构技术来实现。
在波导结构区域中还至少设有一个、但最好是多个等离子区，它们可有利地通过波导结构的微结构来产生。
非常有利的是这些等离子区是设在波导结构中的孔。这些孔的典型直径最好为约50μm至1000μm。它们将合乎要求地在波导结构范围中布置成规则分布。在空心导体作为波导结构的情况下，这些孔与激发的H10模结合具有一大优点，即在空心导体内产生的电场与孔平行地定向并非常均匀。因此与较高的激发模相比在空心导体宽度方向上场强的变化最小。
在孔的内壁上及可选择地在整个电极面上设有一个介电层，尤其是一个陶瓷的保护层，以避免或减小表面负荷或材料的磨损及由此引起的等离子区或波导结构逐渐地畸变。该介电层保护层对微波在波导结构中传播的影响仅是微不足道的。
在等离子产生区域中等离子的产生可有利地在0.01毫巴至1巴的压力下进行，其中由微波发生器及耦合结构向等离子区输入的微波功率最好约为1毫瓦至1瓦。
输入气体优选为惰性气体，尤其是氩气、氦气或氙气，及空气、氧气、氢气、乙炔或甲烷气，并最好以约10sccm至约5000sccm的气体流通量输入。但在各个情况下应根据所选择的等离子发生装置的尺寸来标定这些参数，它们仅作为典型值考虑。非常有利的是，根据本发明的装置也可在空气中工作并由此可达到表面的氧化激发。此外由于可工作在从大气压到纯真空的宽压力范围中，因此可开发多种多样的应用可能性。
根据本发明装置及由它实施的方法尤其适用于基底表面的处理或活化或用于沉积层。在此情况下它的特殊优点在于等离子区在空间上窄限界地延伸及紧靠近待处理基底的表面。
在以下说明中将借助附图对本发明的实施例作详细描述。
图1表示具有带孔的波导结构的装置，图2表示该波导结构的替换实施形式，图3表示当一个基底由波导结构等离子处理时的第一气体引导，及图4表示具有另一气体引导的替换实施形式。
图1表示具有一个耦合结构10，一个波导结构11及等离子区12的装置1。在此情况下耦合结构10具有由微波技术公知的角(Horn)20的形状，并用于将微波耦合到波导结构11中。微波将由一个未示出的、其本身公知的微波发生器产生，该发生器与耦合结构10相连接。角20导电地过渡到波导结构11，由此，由微波发生器通过耦合结构10将微波耦合到波导结构11。
在该例中，波导结构11作为空心导体21由金属如铜、不锈钢、金或银构成，在它内部填充有譬如作为防穿透、低损耗电介质的二氧化硅。空心导体21具有至多1mm的厚度。它的长度是可变的，但其值应为输入微波波长的四分之一。它的宽度根据所选择的空心导体模来确定。
空心导体21还具有多个孔26，它们有规则地布置，及确定了位于孔26周围的窄限界的等离子区12。每个孔26的直径约为50μm至1mm。该装置1因此是一种微结构，其中在波导结构11的每个等离子区12内当导入一种气体时将触发出等离子。孔26的内壁23及可选择地波导结构11的整个电极表面还设有一种介电的、尤其是陶瓷层作为保护层，它例如由氧化铝或二氧化硅组成。
耦合到波导结构11中的微波的频率在300MHz至30GHz之间是合乎要求的，优先使用的频率在900MHz至2.45GHz之间。在此情况下空心导体21最好这样定尺寸及这样选择微波频率，即耦合到空心导体21中的微波的H10模被激发及被展宽。
为此技术人员在每种情况下应彼此协调地确定空心导体21的宽度及微波的频率。对于H10模的激发，一个关键量仅是空心导体21的宽度，而其长度仅在展宽的微波的阻尼方面相关。耦合的微波功率将这样选择，即对于每个等离子放电区12应得到约1mW至约1Watt(瓦)的功率。
图3及4表示装置1用等离子处理一个基底30的表面，其使用由装置1在波导结构11的等离子区12中产生的微结构电极放电。为此，根据图3一种气体通过气体导管31及在背离基底30的一侧通过孔26被引导到波导结构11。由此该气体流经基底30的表面及流向侧面。自一个基本上与输入气体类型、气体流、压力及空心导体21的厚度相关的最小的耦合微波功率起，在基本上通过孔26的延展确定的等离子区12中导致等离子的产生。由此在波导结构11及基底30之间至少区域性地具有一个等离子体积40，它由各个根据孔26的距离彼此隔开的或共同增长的等离子区12构成。
导入的气体譬如是一种惰性气体或稀有气体，如氮气或氩气，用于清洁或激活基底30的表面，但它也可以是本身公知的反应气体如氧气、空气、乙炔、氢气或一种气体材料或蒸气状的原始材料如硅有机化合物或钛有机化合物。借助装置1也可根据导入气体的选择在基底表面产生化学反应或形成一个表面涂层，例如一个硬材料层或耐磨层。
在等离子区12中的等离子的产生是借助耦合到波导结构11中的微波及导入的气体根据波导结构11的尺寸、导入气体的类型、孔26的直径、空心导体21的宽度及所需的表面处理在约0.01毫巴至约1巴的压力下来实现的，它在各个情况下由技术人员通过简单的预先试验来求得。压力优选为10毫巴至200毫巴，其中以从几个sccm至约1000sccm的典型气体流通量进行等离子气体的输入。但该值在各个情况下同样要由技术人员通过预先实验来适配相应的过程参数。
图4表示作为第二实施例的通过气体导管31导入气体的另一形式的引导。这里气体在基底30的表面及波导结构11之间流过并且未通过孔26输送。此外，用来在等离子区12中产生等离子的参数完全类似于借助图1及3描述的实施例。
在第三实施例中，波导结构11与空心导体21稍微不同，它由两个平行相隔的金属板组成，在其中间空间中填充二氧化硅。但该导体结构21的其余部分，尤其在尺寸、孔及材料方面完全类似于第一实施例及图1的结构。使用两个平行的金属板来代替空心导体21具有其优点，即它在制造技术上相对封闭空心导体21的制造简化了及可廉价地实现。耦合入内的微波的导向和展宽是通过两个板的电容耦合发生的。在该实施例中气体的输入同样类似于前面的实施例，即如借助图3或4所描述的。
图2表示作为另一实施例的波导结构11的替换实施形式，其中用微条技术通过条形导体24实现耦合微波的导入。在该情况下不需要再设置角20，因为由微波发生器产生的微波的输入耦合在这里是通过同轴插件实现的。
详细地说，在该例中，在一个由抗穿透材料如二氧化硅组成的介电板25上至少设有两个、但最好多个金属条形导体24。这些条形导体24合乎要求地彼此以一定距离平行延伸，该距离与频率及使用的电介质相关，及条形导体优选地由铜或金组成，它可选择地设置在一个电镀增强部分如镍上。在等离子区12中用于等离子触发及保持的条形导体24的最佳距离还与导入气体的类型及占优势的压力相关，因此必需通过简单的预先试验来求得。
类似于图1，在这些条形导体24之间在介电板25中还设有孔26。在该波导结构11及孔26的尺寸方面可参考前面在第一实施例中的实施形式。尤其在此情况下，孔26可设有一个介电层27，例如一个陶瓷保护层类型形式的层，设置在内壁23上。因此孔26也确定了局部限界的等离子区12，其中通过输入耦合及由条形导体24引导的微波当导入一种气体或空气时将触发微结构电极的放电。当孔26足够密地设置时，在等离子区12中产生的等离子将形成过耦合，及展开成一个横向均匀的等离子体。
在图2所示波导结构11的情况下，气体的导入可完全类似于以上所述实施例及以通过图3或4所述方式进行，这时气体通过孔26导入或在基底30与波导结构11之间流过。
权利要求
1．产生等离子区的装置，它尤其通过微结构电极放电用于表面处理、气体化学置换或产生光，及设有一个等离子发生装置(1)，其中该装置(1)至少具有一个波导结构(11)，其特征在于设有一个微波发生器，借助它可将电磁微波耦合到波导结构(11)中以产生等离子。
2．根据权利要求1的装置，其特征在于装置(1)至少具有一个耦合结构(10)，及微波发生器通过耦合结构(10)与波导结构(11)形成连接。
3．根据权利要求1的装置，其特征在于波导结构(11)是一个金属空心导体(21)，它被一种电介质(22)填充，该电介质尤其为二氧化硅、陶瓷或Kapton。
4．根据权利要求1的装置，其特征在于波导结构(11)是一种至少由两个、尤其是平行地隔开的金属板构成的装置，在其中间的空间内填充有一种电介质(22)、尤其是二氧化硅。
5．根据权利要求1的装置，其特征在于波导结构(11)是至少由两个金属的、尤其平行的条形导体(24)构成的装置，这些条形导体延伸在一个介电板(25)、尤其是一个由二氧化硅构成的基底上。
6．根据权利要求1的装置，其特征在于波导结构(11)是平面的或弯曲的，及尤其是圆柱形或具有中心内导体的同轴形状。
7．根据权利要求1的装置，其特征在于波导结构(11)或在其周围具有至少一个等离子区(12)。
8．根据权利要求7的装置，其特征在于等离子区(12)是一个设在波导结构(11)中的孔(26)。
9．根据权利要求8的装置，其特征在于至少孔(26)的内壁(23)设有一个介电层，尤其是一个陶瓷的保护层。
10．根据权利要求8的装置，其特征在于孔(26)具有的直径为10μm至1000μm。
11．根据权利要求8的装置，其特征在于设有多个孔(26)的特别规则的配置。
12．根据权利要求3或4的装置，其特征在于空心导体(21)具有的厚度或金属板具有的距离为10μm至1000μm。
13．根据权利要求3的装置，其特征在于将输入耦合微波的H10模导入波导结构(11)。
14．通过根据以上权利要求中至少一项的装置产生尤其是空间上窄限界的气体等离子区的方法，其特征在于通过一个耦合结构(10)使微波输入耦合及然后通过一个波导结构(11)引导，及导入的微波在至少一个等离子区(12)中与输入的气体产生一个等离子体。
15．根据权利要求14的方法，其特征在于气体通过设在波导结构(11)中的孔(26)导入及在该孔(26)和/或该孔(26)的周围产生等离子体。
16．根据权利要求14或15的方法，其特征在于导入的气体在波导结构(11)的旁边经过或该结构被导入的气体加载，以使得在波导结构(11)的表面至少区域性地在一个等离子体积(40)中产生等离子体。
17．根据权利要求14的方法，其特征在于气体等离子的产生是在从0.01毫巴至1巴的压力中实现的。
18．根据权利要求14的方法，其特征在于对等离子放电区(12)输入约1毫瓦至1瓦的微波功率。
19．根据权利要求14的方法，其特征在于作为气体输入惰性气体如氩气、氦气或氙气、空气、氧气、氢气、乙炔、甲烷气或一种气体材料或蒸气状的原始材料。
20．根据权利要求14的方法，其特征在于气体以至多5000sccm的气体流通量被输入。
21．根据权利要求14的方法，其特征在于输入微波的频率为300MHz至300GHz。
22．根据以上权利要求中至少一项的装置及由它实施的方法的应用在于，借助等离子体、尤其是在一个空间上窄限界的紧邻地位于一个基底(30)表面附近的等离子体积(40)进行该基底(30)表面的处理或活化，化学材料置换，尤其用于废气净化，发生光或在基底(30)上沉积层。
全文摘要
本发明提出一种产生等离子区的装置,它尤其通过微结构电极放电用于表面处理、气体化学置换或产生光,它具有一个等离子发生装置(1),该装置至少具有一个波导结构(11)。此外设有一个微波发生器,借助它可将电磁微波耦合到波导结构(11)中。波导结构(11)还具有至少一个特别是局部窄限界的等离子区(12),它与气体形成接触。波导结构(11)最好是一个被一种电介质(22)填充的金属空心导体(21)或一个延伸在介电板上的条形导体结构。该装置及由它实施的方法尤其适用于表面的处理或活化或在一个基底上沉积层。
文档编号H05H1/24GK1321326SQ00801870
公开日2001年11月7日 申请日期2000年8月23日 优先权日1999年9月14日
发明者斯特凡·格罗塞, 约翰内斯·福格特 申请人:罗伯特·博施有限公司