WO2009024347A1 - Device and method for generating plasma by low-frequency inductive excitation - Google Patents

Device and method for generating plasma by low-frequency inductive excitation Download PDF

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WO2009024347A1
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inductance
plasma
container
khz
switching element
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PCT/EP2008/006894
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Christian Teske
Joachim Jacoby
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Johann Wolfgang Goethe-Universität
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    • C02F2201/48Devices for applying magnetic or electric fields
    • C02F2201/483Devices for applying magnetic or electric fields using coils

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a plasma by inductive excitation according to the preamble of claim 1 and a method for generating a plasma 10 by inductive excitation according to the preamble of claim 22.
  • a device of the type mentioned above comprises a container with a gas, in which a plasma is to be generated, and an inductance,
  • the inductance can be considered as the primary winding of a transformer that generates a magnetic alternating field in the gas
  • Magnetic flux induces an electromotive force in the gas which, with sufficient strength, can ignite and maintain a plasma.
  • the discharge in the gas thereby constitutes an electrically conductive fluid, and the charge flow in the plasma can be regarded as a single secondary winding, which effectively forms a transformer with the inductance as the primary winding.
  • inductively coupled plasmas are usually excited in the high-frequency spectrum.
  • commercially available 13.56 MHz excitation sources are used in most cases.
  • the object I 0 underlying the invention is to provide an apparatus and method for generating a plasma by inductive stimulus, which can achieve higher electron densities in the plasma.
  • a power source is used in the device for generating a plasma, which is suitable in the inductance an alternating current signal with an excitation frequency v of less than 200 kHz, preferably less than 100 kHz, more preferably from 1 kHz to 50 kHz and in particular from 10 kHz to 30 kHz.
  • the 0 term "alternating current signal" indicates that the excitation current in the inductance does not necessarily have to be a CW signal, but it may also be, for example, a damped oscillation with only a few zero crossings.
  • the essential difference of the invention over known devices and methods for producing inductively coupled plasmas is the comparatively very low excitation frequencies in the kHz range.
  • the invention is based on the finding that higher electron densities than in previous devices and methods can be achieved by lowering the excitation frequency.
  • the relationship between the excitation frequency and the achievable electron density is as follows.
  • the power of the applied electric field is transmitted within a certain skin depth ⁇ , see, for example, JT Gudmundsson and MA Lieberman: "Magnetic induction and plasma impedance in a planar inductive discharge", Plasma Sources Science and Technology, 7 (FIG. 1998) 83-95.
  • Equation (1) is described by MA Lieberman and AJ Lichtenberg: “Principles of Plasma Discharge and Materials Processing", Wiley & Sons, New Jersey, 2005 and J. Reece Roth: “Industrial Plasma Engineering Volume 1", IoP (Instit of Physics Publishing), 2003. This means that the skin depth is already essentially determined by the construtive structure.
  • the density of the power w abs absorbed by the plasma is as follows:
  • equation (4) also allows an estimation of the achievable electron densities.
  • the electron density n e scales linearly with the injected power, as described, for example, by Hopwood et al. was experimentally confirmed, see J. Hopwood et al .: J. Vac. Sci.Technol. All: 152, (1993).
  • For the power dissipated in the plasma then:
  • Ü B is the Böhm speed, effective surface of the discharge vessel and W T is the total energy loss per carrier pair produced by Liebermann and Lichtenberg (see above), which is composed of radiation losses and losses of kinetic energy, which occurs when the charge carriers reach the vessel wall.
  • the "effective surface" A e ff corresponds to the geometric surface in spherical containers, but can be about 10% less than the geometric surface in other vessel shapes, such as cylindrical vessels.
  • the dissipated power W diss according to equation (5) must correspond to the total power absorbed in the plasma due to the energy conservation.
  • the total absorbed power W abs corresponds to the volume integral over the power density of equation (4), which can be approximated in a qualitative view by multiplying the power density of equation (4) by the volume V p of the plasma, yielding: 6.16
  • the electron density n e in fact inversely proportional to the excitation frequency v, which in turn means that higher electron density n e can be obtained at lower excitation frequencies. Therefore, the invention achieves the above object by using lower excitation frequencies than in the prior art.
  • the electron density n e is proportional to the ratio between the I 0 volume V p and the effective surface A e ff. This means, firstly, that higher electron densities can be achieved with larger containers. Secondly, this means that a spherical, ie spherical, vessel geometry in which the ratio of volume to surface area is maximum, is also advantageous for achieving a high electron density n e .
  • excitation frequencies v which are about three orders of magnitude lower than those used in conventional inductively coupled plasmas, are to be used within the scope of the present invention, completely new electronics are required for driving the inductance.
  • One difficulty is that a certain induced electric field strength is necessary to ignite and maintain the plasma.
  • the effective field strength E ej f from the above equation (4) must exceed a minimum value, so that it comes to the ignition and maintenance of the plasma at all.
  • the induced field strength is in turn dependent on the magnitude of the time derivative of the magnetic flux in the plasma vessel, which in turn is proportional to the time derivative of the current in the inductor. It can therefore be assumed that certain current increase rates in the inductance must not be fallen short of, so that it comes to the ignition and maintenance of a plasma.
  • the power source comprises at least one capacitor which can be charged to an operating voltage, and at least one switching element, which is switchable to a conductive state and is connected so that the at least one capacitor in the conductive state of the switching element can discharge the inductance.
  • Las I 0 sen generate sufficiently high currents, which lead, even at very low excitation frequencies of the invention to an ignition of the plasma with such a construction using modern power switching elements.
  • the at least one capacitor and the inductance preferably form components of an undamped electrical resonant circuit, the natural frequency of which corresponds to the mentioned i 5 excitation frequency v.
  • said AC signal is formed in an electrical resonant circuit, which contains the capacitor and the inductor.
  • the inductance Lo and the capacitance Co of the capacitor can then be tuned so that the resonant circuit oscillates at the desired excitation frequency.
  • the oscillation of the resonant circuit is a damped oscillation
  • Such a decaying attenuated oscillation signal 5 is an example of the above-mentioned "AC signal".
  • the rate of current rise in the inductor must be sufficiently large to allow ignition and maintenance of the plasma.
  • the power source is constructed so that the following relationship applies: ⁇ - ⁇ lkV / m,
  • v denotes again the excitation frequency of the AC signal, Io the maximum amplitude of the AC signal, Lo the inductance and b the circumference of the container in a plane perpendicular to the magnetic field generated by the inductance.
  • Io the maximum amplitude of the AC signal
  • Lo the inductance
  • b the circumference of the container in a plane perpendicular to the magnetic field generated by the inductance.
  • the switching element comprises at least one thyristor, at least one IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, insulated gate bipolar transistor) or at least one gas discharge switch such as, for example, an Ignitron.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor, insulated gate bipolar transistor
  • gas discharge switch such as, for example, an Ignitron.
  • the switching element is arranged between the capacitor and the ground potential.
  • the inductance is at ground potential prior to activation of the switching element, which brings advantages in terms of reliability with it.
  • the switching element is located between the inductance and the ground potential. This arrangement is advantageous in so far as it contributes to the avoidance of parasitic inductances between the switching element and the resonant circuit.
  • the switching element is formed by a full-wave bridge, which comprises four switches, in particular thyristors and / or IGBTs, the in pairs can be controlled alternately.
  • a full-path bridge is particularly suitable for "quasi-CW operation", particularly in very high power applications, such as those required in the sterilization of large quantities of drinking water by plasma discharge irradiation Description shown.
  • the at least one capacitor or a plurality of capacitors connected in parallel have a total capacitance of 1 ⁇ F to 100 ⁇ F, and more preferably from 6 ⁇ F to 20 ⁇ F.
  • the power source is designed to generate maximum current rise rates of 300 A / ⁇ s to 30 kA / ⁇ s, preferably from 1 ⁇ A / ⁇ s to 10 kA / ⁇ s.
  • the inductance Lo is preferably between 1 ⁇ H to 10 ⁇ H, and more preferably 1.5 ⁇ H to 2.5 ⁇ H.
  • the power source must be designed to produce relatively high currents at relatively high current rise rates.
  • the parameter ranges of the preferred embodiments show that this is
  • I 5 electronic components is quite possible, and further concrete examples are shown in the following embodiments.
  • the route described here in addition to the potentially higher achievable electron density, also has other practical advantages over conventional inductive plasma excitations in the MHz range.
  • the power source described in the exemplary embodiments is much simpler in its construction than HF sources, and the known EMC problems of high-frequency technology are almost completely eliminated.
  • the capacitive coupling between the inductor and the plasma is negligible compared to the RF excitation.
  • the inductance is preferably formed by a coil surrounding the container.
  • the coil preferably has a number of turns no from two to eight, and particularly preferably from four to six.
  • the container i. the discharge vessel spherical or approximately spherical.
  • a spherical, i. Spherical container has the advantage that it has a large volume / surface ratio, which in turn allows higher electron density according to equation (7) above.
  • a spherical container is ideal for the purposes of the invention.
  • An "approximately spherical" container in the present specification is a container whose shape is similar to that of a spherical container, at least insofar as it has a volume to surface ratio that differs by less than 20% from that of an exactly spherical container of equal volume.
  • a spherical and an "approximately spherical" container in the sense of the disclosure also agree insofar as the container comprises an equatorial region in which the cross-sectional area in a plane perpendicular to the induced magnetic field decreases from a maximum value A max to a value of A max l2 having two pole pieces and in which the - l2 drops cross-sectional area of a max to zero this respect, a cylindrical container, for example, not “approximately spherical", because it does not include the equatorial region and no pole portions according to this definition..
  • At least one of the turns of the inductance preferably surrounds the container at least partially in its equatorial region, and at least one turn in each case surrounds the container at least partially in its pole regions.
  • the term "at least partially” indicates that the winding can also lie on the boundary between the equatorial region and a pole region, which may well be the case due to the relatively large width of the inductance conductor strips a winding in the equatorial region which has the effect of a conventional cylindrical coil, and at least one winding in each of the pole regions, which are similar in effect to a planar coil, which is referred to in the literature as "pancake coil".
  • Planar coil have the advantage that they reduce leakage flux and thereby allow increased coupling efficiency.
  • the coil arrangement can be understood as a combination of a conventional cylindrical coil and a conventional planar coil, which combines the advantages of both arrangements.
  • the structure described here results in that a sufficient part of the leakage fluxes is contained in the plasma, whereby an increased magnetic coupling and thus an increased efficiency of the energy transfer between the inductance and the plasma is achieved.
  • the capacitive coupling between the coil and the plasma is negligible compared to RF operation.
  • the device comprises a controller which is suitable for periodically activating the at least one switching element at a pulse frequency in such a way that it switches to its conductive state.
  • the pulse frequency is at least 1 Hz, preferably at least 10 Hz and particularly preferably at least 50 Hz. If the alternating current signal drops within 150 to 200 .mu.s, for example, at such pulse frequencies the excitation pulses are still relatively long in time relative to their length - removed, or in other words, the duty ratio is relatively low.
  • the power can be increased by increasing the pulse rate until, in extreme cases, a "quasicontinuous", ie a "quasi-CW" operation is achieved.
  • the inductively coupled plasma generating device described herein may be used to advantage in a variety of applications.
  • a particularly advantageous application of the invention consists in a device for sterilizing drinking water, in which the water to be sterilized in the immediate vicinity of a plasma discharge source is passed or passed therethrough, the plasma discharge source comprises a device for plasma generation according to one of the types described above ,
  • the plasma generation device according to the invention is particularly advantageous for the use of drinking water treatment, because it enables high performance and high electron densities and at the same time is technologically simpler due to the operation in the kHz instead of in the MHz range and in particular the known EMC problems of high-frequency technology bypasses.
  • the device according to the invention is ideally suited for drinking water treatment.
  • Another very advantageous application of the invention is in the lithography of semiconductor structures. Due to the higher achievable electron density n e , the emission spectrum shifts in the direction of shorter wavelengths, so that the invention is particularly suitable for the generation of short-wave UV light, so-called V-UV radiation, which is useful in semiconductor lithography.
  • the device is also generally used as a light source for short-wave UV radiation.
  • the invention is also suitable for the production of industrial process plasmas, e.g. used in the semiconductor industry in Ionensleypro- processes (so-called sputtering).
  • the device according to the invention is also suitable as a plasma engine.
  • the enthalpy of a working gas is increased by electromagnetic induction electron-free and then made usable by gas expansion via a nozzle to generate a recoil.
  • Fig. 1 is a sectional side view of a plasma generating device
  • Fig. 2 is a front view of a plasma generating device
  • Fig. 3 is a rear view of a plasma generating device
  • Fig. 4 is a rear view of an alternative plasma generating device in which the switching element is formed by thyristors;
  • Fig. 5 is a cross-sectional view of the plasma container and the coil surrounding it;
  • Fig. 6 is an equivalent circuit diagram of the plasma generating device of Figs. 1 to 3;
  • Fig. 7 is an equivalent circuit diagram of the plasma generating device of Fig. 4;
  • Fig. 8 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generating device
  • Fig. 9 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generating device using a full-wave bridge circuit with thyristors
  • 10 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generating device using an IGBT as a switching element; and 11 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generator employing a full-lane circuit with four IGBTs.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment 10 of a device for generating a plasma by inductive excitation according to a development of the invention.
  • Fig. 2 shows a front view of the device 10 of Fig. 1 and Fig. 3 is a rear view.
  • the device 10 of FIGS. 1 to 3 comprises a spherical container 12 in which a noble gas, for example argon, is at a low pressure of, for example, 12 Pa.
  • a noble gas for example argon
  • the container 12 which is also referred to as a discharge vessel, at its upper and its lower end each have a so-called CF-35 flange 14. Further, the container 12 is connected to a gas supply 16, through which the inert gas is introduced into the container 12 ,
  • the container 12 is surrounded by four turns 18a to 18d of an induction coil 18 consisting of a coil support 20 made of an electrically insulating material (e.g., DURATEC).
  • the windings 18a to 18d are interconnected by electrically conductive connecting elements 22, which are shown schematically in FIG. 1 and in FIG.
  • the four turns or segments 18a to 18d together form a coil with a total inductance of 2.1 ⁇ H.
  • capacitors 24 are provided on the back of the device 10, which are connected in parallel and together form a so-called capacitor bank.
  • the capacitors 24 each have a first terminal 26 which is connected via a power supply 28 to a power supply (not shown).
  • the capacitors 24 are charged with a precharge voltage of 4100V.
  • the capacitors 24 also each have a second terminal 30, both of which are connected to a first end 32 of the coil 18, ie in the illustration of Fig. 1 to 3 upper end of the coil 18.
  • a second, in the illustration of FIG. 1 to 3 lower end 34 of the coil 18 is connected to a switching element 36, which is in the illustration of Fig. 1 to 3 is a gas discharge switch, a so-called Ignitron.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of the first embodiment of FIGS. 1 to 3, wherein the reference numbers refer to the components of FIGS. 1 to 3.
  • the coil 18 is represented by a series connection of an inductance Lo of 2.1 ⁇ H and a resistance Ro of 8 m ⁇ .
  • I 0 control input 38 of the Ignitrons 36 (see Fig. 5) is applied, after which the Ignitron 36 is switched to a conductive state.
  • the capacitor 24 discharges through the coil 18 with a maximum current Io of 9.6 kA and with a current increase rate of more than 1 kA / ⁇ s (in the illustrated embodiment specifically 1.8 kA / ⁇ s).
  • a strongly varying magnetic temporally i is in the gas within the container 12 5 generates flux in turn induces an electric field which is sufficient for igniting a plasma.
  • the plasma discharge can be considered as an electrically conductive fluid, which is surrounded by the coil 18, it effectively forms a single secondary winding of an imaginary transformer with an inductance L p and an ohmic plasma resistance
  • the capacitor 24 with capacitance Co and the coil 18 with the resistor Ro and inductance Lo form a damped electrical series resonant circuit, so that the voltage on the capacitor 24 oscillates at a frequency v and the current at the same frequency in the coil 18 reciprocates.
  • the frequency v of the resonant circuit results from the parameters Co, Ro and Lo, where as further and much more substantial damping component nor the
  • the capacitor 14 is recharged until the ignitor 36 is switched to the conductive state by another control signal for recharging the capacitor.
  • the control signal is output by a controller (not shown) at a periodic pulse rate, which in turn dictates the duty cycle of the device.
  • the pulse frequency can be 50 Hz, for example. Since the power during the pulse peaks is in the MW range, the period of the pulse frequency is in the
  • the pulse rate can be chosen so high that there is a quasi-continuous operation.
  • Fig. 4 shows a modified embodiment and Fig. 7, the associated circuit diagram.
  • the modification consists merely in that a thyristor pair 40 is provided instead of the ignitrone 36, which is also referred to as a "press pack".
  • FIG. 5 the container 12 with the surrounding induction coil 18, as used in the embodiments of Figs. 1 to 4, shown separately.
  • the container 12 has a diameter of 20.3 cm and a spherical shape.
  • the windings 18a to 18d of the induction coil 18 are made of copper and have a rectangular cross section of 2S 2 mm x 20 mm.
  • the container 12 of FIG. 5 can be divided into an equatorial region 42 and two pole regions 44.
  • the equatorial region 42 is defined herein as the region containing an equatorial plane 46, ie, a plane in which the cross-sectional area in a plane perpendicular to the direction of the induced magnetic field B assumes its maximum value.
  • equatorial Reichs 42 decreases the cross-sectional area of the container 12 upwards and downwards continuously until the limit to the respective adjacent pole region 44 is reached.
  • the boundary to the pole region is defined in the present description as the latitude at which the cross-sectional area has fallen to half, ie it is at a latitude of s 45 ° or 135 °°.
  • Essential for the particularly good coupling between the induction coil 18 and the plasma in the embodiment shown here is that two coil segments 18b and 18c are located in the equatorial region 42 and two coil segments 18a, 18d at least partially each in a pole region 44. Although all windings 18a to 18d or segments for generating
  • the middle coil segments 18b and 18c act like a conventional cylindrical coil.
  • the outer coil segments 18a and 18d which lie at least partially in the pole regions 44, have an effect similar to that of known flat coils, so-called "pancake coils.”
  • the advantage of such flat coils is that the magnetic flux leakage is generally lower however, it is commonly believed that their increased capacitive coupling with the plasma is problematic compared to a solenoid, but capacitive coupling plays a relatively minor role at the low excitation frequencies used herein
  • the geometry shown in Figure 5 results in a coupling efficiency of 0.8 in the experiments carried out, ie 80% of the energy of the capacitor is transferred to the plasma , and it's with a lei Depending on the modified structure, coupling efficiencies of 0.9 can even be achieved.
  • FIG. 8 shows an alternative equivalent circuit diagram, which is fundamentally similar to that of FIG. 7.
  • the main difference is that the thyristor 40 is not arranged between the coil 18 and the ground potential, but between the capacitor and the ground potential.
  • the reverse direction thyristor has been omitted for the sake of simplicity.
  • This arrangement has the advantage that the coil is at ground potential during the charging process of the capacitor and not at high voltage, as in the arrangement of FIG.
  • the arrangement of Fig. 7 has the advantage that the parasitic inductance between the switching element 14 and the resonant circuit is lower.
  • FIG. 9 shows a further equivalent circuit diagram in which the switching element is formed by a full-path bridge comprising four thyristors TH1 to TH4.
  • the thyristors THl and TH3 or TH2 and TH4 are alternately driven, so that the series resonant circuit is driven alternately with the charging voltage from a current source C L.
  • This thyristor full-wave bridge is particularly well suited for "quasi-CW operation".
  • Figs. 10 and 11 are the same as those of Figs. 8 and 9 except that the thyristors are replaced by IGBTs.

Abstract

The invention relates to a device and a method for generating plasma by inductive excitation. The device comprises a container (12) with a gas, wherein plasma is to be generated, and an induction coil (18), that is inductively coupled to the gas. Furthermore, a power source is provided, being able to generate an alternating current signal in the inductivity (18) with an excitation frequency v of below 200 kHz, preferably under 100 kHz, particularly preferably of 1 kHz to 50 kHz and especially of 10 kHz to 30 kHz.

Description

Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch niederfrequente induktive Anregung Device and method for generating a plasma by low-frequency inductive excitation
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erzeugung 10 eines Plasmas durch induktive Anregung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 22.The present invention relates to a device for generating a plasma by inductive excitation according to the preamble of claim 1 and a method for generating a plasma 10 by inductive excitation according to the preamble of claim 22.
Induktiv gekoppelte Plasmen wurden seit mindestens 100 Jahren erzeugt und untersucht, wie beispielsweise bei J. Hopwood, „Review of inductively coupled plasmas for plasma proces- sing", Plasma Sources Science and Technology, I (1992) 109-116 beschrieben ist. Ein besonderer Vorteil der Erzeugung eines Plasmas durch induktive Kopplung besteht darin, daß keine i5 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 änderndeInductively coupled plasmas have been produced and studied for at least 100 years, as described, for example, in J. Hopwood, "Review of inductively coupled plasma for plasma proccessing", Plasma Sources Science and Technology, I (1992) 109-116 advantage of generating a plasma by inductive coupling is that no i 5 electrodes must be in direct contact with the plasma. a device of the type mentioned above comprises a container with a gas, in which a plasma is to be generated, and an inductance, For example, a coil that is inductively coupled to the gas In inductive coupling, the inductance can be considered as the primary winding of a transformer that generates a magnetic alternating field in the gas
20 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.Magnetic flux induces an electromotive force in the gas which, with sufficient strength, can ignite and maintain a plasma. The discharge in the gas thereby constitutes an electrically conductive fluid, and the charge flow in the plasma can be regarded as a single secondary winding, which effectively forms a transformer with the inductance as the primary winding.
2s Gegenwärtig werden induktiv gekoppelte Plasmen üblicherweise im Hochfrequenzspektrum angeregt. Dabei werden in den meisten Fällen kommerziell erhältliche 13,56 MHz Anregungsquellen verwendet.Currently, inductively coupled plasmas are usually excited in the high-frequency spectrum. In this case, commercially available 13.56 MHz excitation sources are used in most cases.
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 Belich- 5 tungsanwendungen 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.The further advance in the generation of inductively excited low-pressure discharge plasmas will be above all the future achievable electron densities be dependent. Although the proportionate ionization is higher in conventional inductively coupled plasmas than in capacitively coupled plasmas, it is overall relatively low. At present, only a fraction of 0.01 to 0.1 of the gas atoms in the plasma can be ionized by inductive excitation. If, for example, discharge plasmas are to be used for illumination applications with one component in the UV spectrum, a higher ratio of ions to neutral atoms would be of great advantage, since the emission spectrum of the excited ions is higher at higher energies compared to that of the excited neutral atoms , In general, a higher degree of ionization is also advantageous because then arise at a given gas pressure higher electron densities.
I0 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.The object I 0 underlying the invention is to provide an apparatus and method for generating a plasma by inductive stimulus, which can achieve higher electron densities in the plasma.
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 i5 abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 22. Advantageous developments are given in the i 5 dependent claims.
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 v 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 0 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.According to the invention, a power source is used in the device for generating a plasma, which is suitable in the inductance an alternating current signal with an excitation frequency v of less than 200 kHz, preferably less than 100 kHz, more preferably from 1 kHz to 50 kHz and in particular from 10 kHz to 30 kHz. The 0 term "alternating current signal" indicates that the excitation current in the inductance does not necessarily have to be a CW signal, but it may also be, for example, a damped oscillation with only a few zero crossings.
Der wesentliche Unterschied der Erfindung gegenüber bekannten Einrichtungen und Verfahren zur Erzeugung induktiv gekoppelter Plasmen besteht in den vergleichsweise sehr niedri- 5 gen 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 vc der Kollisionen zwischen Elektronen und Neutralgasteilchen sehr viel größer als die Anregungsfrequenz v ist, wurde gezeigt, daß eine maximale Effizienz der Einkopplung von Energie bei einer Skintiefe vonThe essential difference of the invention over known devices and methods for producing inductively coupled plasmas is the comparatively very low excitation frequencies in the kHz range. The invention is based on the finding that higher electron densities than in previous devices and methods can be achieved by lowering the excitation frequency. The relationship between the excitation frequency and the achievable electron density is as follows. In general, in an inductively coupled plasma discharge, the power of the applied electric field is transmitted within a certain skin depth δ, see, for example, JT Gudmundsson and MA Lieberman: "Magnetic induction and plasma impedance in a planar inductive discharge", Plasma Sources Science and Technology, 7 (FIG. 1998) 83-95. In a collision-dominated plasma, ie in a plasma in which the frequency v c of the collisions between electrons and neutral gas particles is much larger than the excitation frequency v, it has been shown that a maximum efficiency of coupling energy at a Skin depth of
δ = 0,57rp (1)δ = 0.57r p (1)
auftritt, wobei rp 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 wabs gilt folgende Beziehung:occurs, where r p is the radius of the plasma, which can be equated to a good approximation with the radius of the discharge vessel. Equation (1) above is described by MA Lieberman and AJ Lichtenberg: "Principles of Plasma Discharge and Materials Processing", Wiley & Sons, New Jersey, 2005 and J. Reece Roth: "Industrial Plasma Engineering Volume 1", IoP (Instit of Physics Publishing), 2003. This means that the skin depth is already essentially determined by the construtive structure. The density of the power w abs absorbed by the plasma is as follows:
Figure imgf000005_0001
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wobei E die elektrische Feldstärke und σp die räumlich und zeitlich gemittelte Leitfähigkeit des Plasmas ist, für die giltwhere E is the electric field strength and σ p is the spatially and temporally averaged conductivity of the plasma, for which applies
σ, = — -J- . (3) μQ2 σ, = - -J-. (3) μ Q2
Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (3) in die Gleichung (2) ergibt sich folgende Beziehung:Substituting equations (1) and (3) into equation (2) gives the following relationship:
6,16 2 6,16 2
Wabs * .. . -.2 eff ' (4) W abs * ... -.2 e ff ' (4)
/W1 P Aus Gleichung (4) erkennt man, daß die vom Plasma absorbierte Leistungsdichte invers proportional zur Anregungsfrequenz v ist. Dies bedeutet also, daß sich unter sonst gleichen Bedingungen, wie induzierte Feldstärke Eejf und Plasmaradius rp mit niederfrequent angeregten Plasmen höhere Leistungsdichten erzielen lassen. Da wie eingangs erwähnt bei herkömmli- chen 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./ W 1 P From equation (4) it can be seen that the power density absorbed by the plasma is inversely proportional to the excitation frequency v. This means that under otherwise identical conditions, such as induced field strength E ej f and plasma radius r p can be achieved with low-frequency excited plasmas higher power densities. Since excitation frequencies in the MHz range are used in conventional inductively supplied plasmas as mentioned above, the absorbed power density should be substantially increased if the excitation frequency is lowered according to the invention, and in particular an excitation frequency of less than 200 kHz is used. This was also confirmed in first experiments.
Das Ergebnis von Gleichung (4) erlaubt auch eine Abschätzung der erreichbaren Elektronen- dichten. Im Geltungsbereich der Gleichung (1) skaliert die Elektronendichte ne 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:The result of equation (4) also allows an estimation of the achievable electron densities. Within the scope of equation (1), the electron density n e scales linearly with the injected power, as described, for example, by Hopwood et al. was experimentally confirmed, see J. Hopwood et al .: J. Vac. Sci.Technol. All: 152, (1993). For the power dissipated in the plasma then:
Wdiss = neuBAeffWτ , (5)W diss = n e u B A eff W τ , (5)
wobei ÜB die Böhm' sehe Geschwindigkeit ist,
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effektive Oberfläche des Entladungsbehälters und WT 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" Aeff entspricht bei sphärischen Behältern der geometrischen Oberflä- che, kann jedoch bei anderen Gefäß formen, beispielsweise zylindrischen Gefäßen, ungefähr 10 % geringer als die geometrische Oberfläche sein.
where Ü B is the Böhm speed,
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effective surface of the discharge vessel and W T is the total energy loss per carrier pair produced by Liebermann and Lichtenberg (see above), which is composed of radiation losses and losses of kinetic energy, which occurs when the charge carriers reach the vessel wall. The "effective surface" A e ff corresponds to the geometric surface in spherical containers, but can be about 10% less than the geometric surface in other vessel shapes, such as cylindrical vessels.
Die dissipierte Leistung Wdiss nach Gleichung (5) muß aufgrund der Energieerhaltung der insgesamt im Plasma absorbierten Leistung entsprechen. Die insgesamt absorbierte Leistung Wabs 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 Vp des Plasmas multipliziert wird, wodurch man erhält: 6,16The dissipated power W diss according to equation (5) must correspond to the total power absorbed in the plasma due to the energy conservation. The total absorbed power W abs corresponds to the volume integral over the power density of equation (4), which can be approximated in a qualitative view by multiplying the power density of equation (4) by the volume V p of the plasma, yielding: 6.16
Wabs « E]ff W abs «E] ff
/W1 * vP- (6)/ W 1 * v P - (6)
Durch Gleichsetzen von Gleichungen (5) und (6) (Energieerhaltung) erhalten wir folgenden genäherten Ausdruck für die Elektronendichte:By equating equations (5) and (6) (conserving energy) we obtain the following approximated expression for the electron density:
Figure imgf000007_0001
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5 Wie Gleichung (7) zu entnehmen ist, ist die Elektronendichte ne in der Tat invers proportional zur Anregungsfrequenz v, was wiederum bedeutet, daß sich höhere Elektronendichten ne bei niedrigeren Anregungsfrequenzen erhalten lassen. Daher löst die Erfindung die oben genannte Aufgabe durch die Verwendung niedrigerer Anregungsfrequenzen als im Stand der Technik. 5 As shown in equation (7) can be seen, the electron density n e in fact inversely proportional to the excitation frequency v, which in turn means that higher electron density n e can be obtained at lower excitation frequencies. Therefore, the invention achieves the above object by using lower excitation frequencies than in the prior art.
Ferner erkennt man, daß die Elektronendichte ne proportional zum Verhältnis zwischen dem I0 Volumen Vp und der effektiven Oberfläche Aeff ist. Dies bedeutet erstens, daß sich höhere E- lektronendichten bei größeren Behältern erreichen lassen. Zweitens bedeutet dies, daß eine kugelförmige, d.h. sphärische Behältergeometrie, bei der das Verhältnis von Volumen zu O- berfläche maximal ist, ebenfalls für das Erreichen einer hohen Elektronendichte ne vorteilhaft ist.Furthermore, it can be seen that the electron density n e is proportional to the ratio between the I 0 volume V p and the effective surface A e ff. This means, firstly, that higher electron densities can be achieved with larger containers. Secondly, this means that a spherical, ie spherical, vessel geometry in which the ratio of volume to surface area is maximum, is also advantageous for achieving a high electron density n e .
15 Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anregungsfrequenzen v 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 anderenSince excitation frequencies v, which are about three orders of magnitude lower than those used in conventional inductively coupled plasmas, are to be used within the scope of the present invention, completely new electronics are required for driving the inductance. One difficulty is that a certain induced electric field strength is necessary to ignite and maintain the plasma. With others
2Q Worten muß die effektive Feldstärke Eejf 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 Stroman- 5 stiegsraten 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.2Q words, the effective field strength E ej f from the above equation (4) must exceed a minimum value, so that it comes to the ignition and maintenance of the plasma at all. The induced field strength is in turn dependent on the magnitude of the time derivative of the magnetic flux in the plasma vessel, which in turn is proportional to the time derivative of the current in the inductor. It can therefore be assumed that certain current increase rates in the inductance must not be fallen short of, so that it comes to the ignition and maintenance of a plasma. The lower the excitation frequency, the higher it must be the current amplitude in the inductance can be chosen to obtain a sufficient current slew rate. In order to be able to use the low excitation frequencies according to the invention, therefore, a power source must be provided which is suitable for generating a very high amplitude alternating current signal in the inductance.
5 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, las- I0 sen 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 fuhren.In an advantageous embodiment of the invention, the power source comprises at least one capacitor which can be charged to an operating voltage, and at least one switching element, which is switchable to a conductive state and is connected so that the at least one capacitor in the conductive state of the switching element can discharge the inductance. As explained below in more detail with reference to embodiments, Las I 0 sen generate sufficiently high currents, which lead, even at very low excitation frequencies of the invention to an ignition of the plasma with such a construction using modern power switching elements.
Vorzugsweise bilden der mindestens eine Kondensator und die Induktivität Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises, dessen Eigenfrequenz der genannten i5 Anregungsfrequenz v entspricht. Nach dieser Weiterbildung wird also das genannte Wechselstromsignal in einem elektrischen Schwingkreis gebildet, der den Kondensator und die Induktivität enthält. Die Induktivität Lo und die Kapazität Co 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,The at least one capacitor and the inductance preferably form components of an undamped electrical resonant circuit, the natural frequency of which corresponds to the mentioned i 5 excitation frequency v. After this development, therefore, said AC signal is formed in an electrical resonant circuit, which contains the capacitor and the inductor. The inductance Lo and the capacitance Co of the capacitor can then be tuned so that the resonant circuit oscillates at the desired excitation frequency. The oscillation of the resonant circuit is a damped oscillation,
20 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 5 ist ein Beispiel des oben genannten „Wechselstromsignals".20 on the one hand due to the ohmic resistance of the inductance, but above all because of the inductive coupling with the plasma, which is indeed desired to transfer energy to the plasma. By these two damping sources results on the one hand compared to the undamped resonant circuit reduced natural frequency and on the other hand, the known decay of the damped oscillation. Such a decaying attenuated oscillation signal 5 is an example of the above-mentioned "AC signal".
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: ^^- ≥ lkV/ m,As mentioned above, the rate of current rise in the inductor must be sufficiently large to allow ignition and maintenance of the plasma. Preferably, the power source is constructed so that the following relationship applies: ^^ - ≥ lkV / m,
wobei v wiederum die Anregungsfrequenz des Wechselstromsignals, Io die maximale Amplitude des Wechselstromsignals, Lo 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 v eine um denselben Faktor höhere Stromstärke Io erforderlich macht. Dies deutet wiederum darauf hin, daß bei den angestrebten sehr kleinen Anregungsfrequenzen hohe Ströme in der Indukti- vität 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.where v denotes again the excitation frequency of the AC signal, Io the maximum amplitude of the AC signal, Lo the inductance and b the circumference of the container in a plane perpendicular to the magnetic field generated by the inductance. Theoretical and experimental investigations of the inventor have shown that ignition and maintenance of the plasma are indeed to be expected for this choice of parameters. Note again that, according to the above relationship, a smaller value of the excitation frequency v necessitates a higher current magnitude Io by the same factor. This in turn indicates that high currents are required in the inductance at the desired very small excitation frequencies. However, the inventor was able to confirm that sufficiently high currents can be switched with modern power switching elements, as will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.
Vorzugsweise umfaßt das Schaltelement mindestens einen Thyristor, mindestens einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode) oder min- destens 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.Preferably, the switching element comprises at least one thyristor, at least one IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, insulated gate bipolar transistor) or at least one gas discharge switch such as, for example, an Ignitron. The advantage of thyristors is that they can switch very high currents. IGBTs typically can not switch quite as high currents as thyristors, but have the advantage that they can be selectively switched off. The thyristor, however, is only offset by falling below a holding current in the blocking state.
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 an advantageous embodiment, the switching element is arranged between the capacitor and the ground potential. In such an arrangement, the inductance is at ground potential prior to activation of the switching element, which brings advantages in terms of reliability with it. In an alternative advantageous embodiment, the switching element is located between the inductance and the ground potential. This arrangement is advantageous in so far as it contributes to the avoidance of parasitic inductances between the switching element and the resonant circuit.
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 s folgenden Beschreibung gezeigt.In a particularly advantageous embodiment, the switching element is formed by a full-wave bridge, which comprises four switches, in particular thyristors and / or IGBTs, the in pairs can be controlled alternately. Such a full-path bridge is particularly suitable for "quasi-CW operation", particularly in very high power applications, such as those required in the sterilization of large quantities of drinking water by plasma discharge irradiation Description shown.
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 kA/μs, vorzugsweise von iö 1 kA/μs bis 10 kA/μs zu erzeugen. Ferner beträgt die Induktivität Lo vorzugsweise zwischen 1 μH bis 10 μH, und besonders vorzugsweise 1,5 μH bis 2,5 μH.Preferably, the at least one capacitor or a plurality of capacitors connected in parallel have a total capacitance of 1 μF to 100 μF, and more preferably from 6 μF to 20 μF. Furthermore, in an advantageous development, the power source is designed to generate maximum current rise rates of 300 A / μs to 30 kA / μs, preferably from 1 μA / μs to 10 kA / μs. Further, the inductance Lo is preferably between 1 μH to 10 μH, and more preferably 1.5 μH to 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 Leis-As will be apparent from the above description, the power source must be designed to produce relatively high currents at relatively high current rise rates. However, the parameter ranges of the preferred embodiments show that this is
I5 tungselektronikbauteilen 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 Auf-0 bau 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.I 5 electronic components is quite possible, and further concrete examples are shown in the following embodiments. At the same time, however, the route described here, in addition to the potentially higher achievable electron density, also has other practical advantages over conventional inductive plasma excitations in the MHz range. On the one hand, the power source described in the exemplary embodiments is much simpler in its construction than HF sources, and the known EMC problems of high-frequency technology are almost completely eliminated. Also, the capacitive coupling between the inductor and the plasma is negligible compared to the RF excitation.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Plasmaanregung besteht darin, daß das Plasma bereits aufgrund der verwendeten hohen Ströme eingeschlossen bzw. lokalisiert ist. Diesen s 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 no 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 Kon- densators 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.Another advantage of the plasma excitation according to the invention is that the plasma is already trapped or localized due to the high currents used. This plasma entrapment is often referred to in the literature as "confinement." RF plasmas, instead, require additional coils to locate the plasma that can be eliminated in the invention, and thus, although the original motivation of the invention was higher electron densities independently, the invention also has a number of constructive advantages that are lacking in RF excitation. The inductance is preferably formed by a coil surrounding the container. The coil preferably has a number of turns no from two to eight, and particularly preferably from four to six. Higher number of turns, which would bring about a higher inductance L 0 , are disadvantageous because they would require an increase in the charging voltage of the capacitor, which in turn is undesirable from the point of view of simplicity and practicability. Namely, as mentioned above, the interaction between the inductance and the plasma resembles that between a primary coil and a secondary coil of a transformer, the "secondary coil" being formed by the charge current in the plasma and thus, to remain in the transformer image, only a "turn " having. Since the voltage applied to the inductance is stepped down according to the turns ratio, turns of less than eight are advantageous in terms of the voltage induced in the plasma, because then the primary voltage can remain in a practically manageable range, for example below 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.Preferably, the container, i. the discharge vessel spherical or approximately spherical. A spherical, i. Spherical container has the advantage that it has a large volume / surface ratio, which in turn allows higher electron density according to equation (7) above. As such, a spherical container is ideal for the purposes of the invention. An "approximately spherical" container in the present specification is a container whose shape is similar to that of a spherical container, at least insofar as it has a volume to surface ratio that differs by less than 20% from that of an exactly spherical container of equal volume.
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 Amax auf einen Wert von Amaxl2 abfällt, und zwei Polbereiche aufweist, in denen die - Querschnittsfläche von Amaxl2 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.A spherical and an "approximately spherical" container in the sense of the disclosure also agree insofar as the container comprises an equatorial region in which the cross-sectional area in a plane perpendicular to the induced magnetic field decreases from a maximum value A max to a value of A max l2 having two pole pieces and in which the - l2 drops cross-sectional area of a max to zero this respect, a cylindrical container, for example, not "approximately spherical", because it does not include the equatorial region and no pole portions according to this definition.. At least one of the turns of the inductance preferably surrounds the container at least partially in its equatorial region, and at least one turn in each case surrounds the container at least partially in its pole regions. The term "at least partially" indicates that the winding can also lie on the boundary between the equatorial region and a pole region, which may well be the case due to the relatively large width of the inductance conductor strips a winding in the equatorial region which has the effect of a conventional cylindrical coil, and at least one winding in each of the pole regions, which are similar in effect to a planar coil, which is referred to in the literature as "pancake coil".
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.Planar coil have the advantage that they reduce leakage flux and thereby allow increased coupling efficiency. In the advantageous development described here, the coil arrangement can be understood as a combination of a conventional cylindrical coil and a conventional planar coil, which combines the advantages of both arrangements. In fact, the structure described here results in that a sufficient part of the leakage fluxes is contained in the plasma, whereby an increased magnetic coupling and thus an increased efficiency of the energy transfer between the inductance and the plasma is achieved. At the same time, despite the use of a planar coil-like geometry, the capacitive coupling between the coil and the plasma is negligible compared to RF operation.
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 vor- zugsweise 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 hegen würde, könnte ein CW- Betrieb in Frage kommen.Preferably, the device comprises a controller which is suitable for periodically activating the at least one switching element at a pulse frequency in such a way that it switches to its conductive state. This achieves pulsed operation of the device. The pulse frequency is at least 1 Hz, preferably at least 10 Hz and particularly preferably at least 50 Hz. If the alternating current signal drops within 150 to 200 .mu.s, for example, at such pulse frequencies the excitation pulses are still relatively long in time relative to their length - removed, or in other words, the duty ratio is relatively low. By adjusting the duty cycle, the performance of the device can be specified. The power can be increased by increasing the pulse rate until, in extreme cases, a "quasicontinuous", ie a "quasi-CW" operation is achieved. A true CW operation separates for most applications certainly because currents in the range of kA and voltages in the range of kV imply peak pulse power in the MW range. Only in very large discharge chambers, which would range in size from 1 m to 10 m, could a CW operation be considered.
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 Plasmaentla- dungsquelle 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 Hochfre- quenztechnologie umgeht. In dieser Hinsicht eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung in idealer Weise für die Trinkwasseraufbereitung.The inductively coupled plasma generating device described herein may be used to advantage in a variety of applications. A particularly advantageous application of the invention consists in a device for sterilizing drinking water, in which the water to be sterilized in the immediate vicinity of a plasma discharge source is passed or passed therethrough, the plasma discharge source comprises a device for plasma generation according to one of the types described above , The plasma generation device according to the invention is particularly advantageous for the use of drinking water treatment, because it enables high performance and high electron densities and at the same time is technologically simpler due to the operation in the kHz instead of in the MHz range and in particular the known EMC problems of high-frequency technology bypasses. In this regard, the device according to the invention is ideally suited for drinking water treatment.
Eine weitere sehr vorteilhafte Anwendung der Erfindung liegt in der Lithographie von Halbleiterstrukturen. Aufgrund der höheren erreichbaren Elektronendichte ne 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.Another very advantageous application of the invention is in the lithography of semiconductor structures. Due to the higher achievable electron density n e , the emission spectrum shifts in the direction of shorter wavelengths, so that the invention is particularly suitable for the generation of short-wave UV light, so-called V-UV radiation, which is useful in semiconductor lithography. The device is also generally used as a light source for short-wave UV radiation.
Aufgrund der hohen erzielbaren Elektronendichte eignet sich die Erfindung ferner zur Erzeugung von industriellen Prozeßplasmen, wie sie z.B. in der Halbleiterindustrie bei Ionenätzpro- zessen (sog. Sputtern) verwendet werden.Due to the high electron density that can be achieved, the invention is also suitable for the production of industrial process plasmas, e.g. used in the semiconductor industry in Ionenätzpro- processes (so-called sputtering).
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 Ausfuhrungsbeispiele 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 Verände- rungen 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:Due to the high plasma densities and temperatures, the device according to the invention is also suitable as a plasma engine. In this case, the enthalpy of a working gas is increased by electromagnetic induction electron-free and then made usable by gas expansion via a nozzle to generate a recoil. For a better understanding of the present invention, reference will be made below to the preferred embodiments illustrated in the drawings, which are described by way of specific terminology. It should be understood, however, that the scope of the invention should not be so limited since such changes and other modifications to the illustrated apparatus and method, as well as such other uses of the invention as heretofore indicated, will be deemed to be conventional or may be made future expertise of a person skilled in the art. The figures show embodiments of the invention namely:
Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Plasmaerzeugungseinrichtung;Fig. 1 is a sectional side view of a plasma generating device;
Fig. 2 eine Vorderansicht einer Plasmaerzeugungseinrichtung;Fig. 2 is a front view of a plasma generating device;
Fig. 3 eine Hinteransicht einer Plasmaerzeugungseinrichtung;Fig. 3 is a rear view of a plasma generating device;
Fig. 4 eine Hinteransicht einer alternativen Plasmaerzeugungseinrichtung, bei der das Schaltelement durch Thyristoren gebildet ist;Fig. 4 is a rear view of an alternative plasma generating device in which the switching element is formed by thyristors;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Plasmabehälters und der ihn umgebenden Spule;Fig. 5 is a cross-sectional view of the plasma container and the coil surrounding it;
Fig. 6 ein Ersatzschaltbild der Plasmaerzeugungseinrichtung von Fig. 1 bis 3;Fig. 6 is an equivalent circuit diagram of the plasma generating device of Figs. 1 to 3;
Fig. 7 ein Ersatzschaltbild der Plasmaerzeugungseinrichtung von Fig. 4;Fig. 7 is an equivalent circuit diagram of the plasma generating device of Fig. 4;
Fig. 8 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführung einer Plasmaerzeugungseinrichtung;Fig. 8 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generating device;
Fig. 9 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführung einer Plasmaerzeugungseinrichtung, die eine Vollwegbrückenschaltung mit Thyristoren verwendet;Fig. 9 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generating device using a full-wave bridge circuit with thyristors;
Fig. 10 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführung einer Plasmaerzeugungseinrichtung, die einen IGBT als Schaltelement verwendet; und Fig. 11 ein Ersatzschaltbild einer alternativen Ausführungsform einer Plasmaerzeugungseinrichtung, die eine Vollwegbrückenschaltung mit vier IGBTs verwendet.10 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generating device using an IGBT as a switching element; and 11 is an equivalent circuit diagram of an alternative embodiment of a plasma generator employing a full-lane circuit with four IGBTs.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausfϊihrungsform 10 einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung nach einer Weiterbildung der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht der Einrichtung 10 von Fig. 1 und Fig. 3 eine Hinteransicht.1 shows a schematic sectional view of a first embodiment 10 of a device for generating a plasma by inductive excitation according to a development of the invention. Fig. 2 shows a front view of the device 10 of Fig. 1 and Fig. 3 is a rear view.
Die Einrichtung 10 von Fig. 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 Entladungsgefaß 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.The device 10 of FIGS. 1 to 3 comprises a spherical container 12 in which a noble gas, for example argon, is at a low pressure of, for example, 12 Pa. The container 12, which is also referred to as a discharge vessel, at its upper and its lower end each have a so-called CF-35 flange 14. Further, the container 12 is connected to a gas supply 16, through which the inert gas is introduced into the container 12 ,
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 Verbin- dungselemente 22 verbunden, die in Fig. 1 im Detail und in Fig. 3 schematisch gezeigt sind. Die vier Windungen oder Segmente 18a bis 18d bilden zusammen eine Spule mit einer Gesamtinduktivität von 2,1 μH.The container 12 is surrounded by four turns 18a to 18d of an induction coil 18 consisting of a coil support 20 made of an electrically insulating material (e.g., DURATEC). The windings 18a to 18d are interconnected by electrically conductive connecting elements 22, which are shown schematically in FIG. 1 and in FIG. The four turns or segments 18a to 18d together form a coil with a total inductance of 2.1 μH.
Wie insbesondere in Fig. 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 Co = 12 μF. Über die Stromzufuhr 28 werden die Kondensatoren 24 mit einer Vorladespannung von 4100 V aufgeladen.As can be seen in particular in Fig. 3, two capacitors 24 are provided on the back of the device 10, which are connected in parallel and together form a so-called capacitor bank. The capacitors 24 each have a first terminal 26 which is connected via a power supply 28 to a power supply (not shown). The capacitors 24 each have a capacitance of 6 μF, that is, together have a total capacitance of Co = 12 μF. Via the power supply 28, the capacitors 24 are charged with a precharge voltage of 4100V.
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 Fig. 1 bis 3 oberen Ende der Spule 18, verbunden sind. Ein zweites, in der Darstellung von Fig. 1 bis 3 unteres Ende 34 der Spule 18 ist mit einem Schaltelement 36 verbunden, bei dem es sich in der Darstellung von Fig. 1 bis 3 um einen Gasentladungsschalter, ein sogenanntes Ignitron handelt.The capacitors 24 also each have a second terminal 30, both of which are connected to a first end 32 of the coil 18, ie in the illustration of Fig. 1 to 3 upper end of the coil 18. A second, in the illustration of FIG. 1 to 3 lower end 34 of the coil 18 is connected to a switching element 36, which is in the illustration of Fig. 1 to 3 is a gas discharge switch, a so-called Ignitron.
In Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild der ersten Ausführungsform von Fig. 1 bis 3 gezeigt, wobei sich die Bezugszeichen auf die Komponenten von Fig. 1 bis 3 beziehen. In dem Schaltbild 5 von Fig. 6 ist die Spule 18 durch eine Reihenschaltung einer Induktivität Lo von 2,1 μH und eines Widerstands Ro von 8 mΩ repräsentiert.FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of the first embodiment of FIGS. 1 to 3, wherein the reference numbers refer to the components of FIGS. 1 to 3. In the circuit diagram 5 of FIG. 6, the coil 18 is represented by a series connection of an inductance Lo of 2.1 μH and a resistance Ro of 8 mΩ.
Im folgenden wird die Funktion der Plasmaerzeugungseinrichtung 10 von Fig. 1 bis 3 und 5 erläutert. Zu einem gewissen Zeitpunkt ^ = O ist der Kondensator 24 mit Kapazität Co mit der Ladespannung von 4100 V aufgeladen. Ferner wird zum Zeitpunkt t - 0 ein Steuersignal amIn the following, the function of the plasma generating device 10 of Figs. 1 to 3 and 5 will be explained. At a certain time ^ = 0, the capacitor 24 is charged with capacitance Co at the charging voltage of 4100V. Further, at time t - 0, a control signal on
I0 Steuereingang 38 des Ignitrons 36 (siehe Fig. 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 Io 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 i5 Fluß erzeugt, der seinerseits ein elektrisches Feld induziert, welches zum Zünden eines Plasmas ausreicht.I 0 control input 38 of the Ignitrons 36 (see Fig. 5) is applied, after which the Ignitron 36 is switched to a conductive state. The capacitor 24 discharges through the coil 18 with a maximum current Io of 9.6 kA and with a current increase rate of more than 1 kA / μs (in the illustrated embodiment specifically 1.8 kA / μs). By the rapid increase in current, a strongly varying magnetic temporally i is in the gas within the container 12 5 generates flux in turn induces an electric field which is sufficient for igniting a plasma.
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 Lp und einem ohmschen PlasmawiderstandSince the plasma discharge can be considered as an electrically conductive fluid, which is surrounded by the coil 18, it effectively forms a single secondary winding of an imaginary transformer with an inductance L p and an ohmic plasma resistance
20 Rp. Der Kondensator 24 mit Kapazität Co und die Spule 18 mit der Widerstand Ro und Induktivität Lo bilden einen gedämpften elektrischen Serienschwingkreis, so daß die Spannung am Kondensator 24 mit einer Frequenz v oszilliert und der Strom mit derselben Frequenz in der Spule 18 hin und her läuft. Die Frequenz v des Schwingkreis ergibt sich aus den Parametern Co, Ro und Lo, wobei als weitere und weitaus wesentlichere Dämpfungskomponente noch die20 R p . The capacitor 24 with capacitance Co and the coil 18 with the resistor Ro and inductance Lo form a damped electrical series resonant circuit, so that the voltage on the capacitor 24 oscillates at a frequency v and the current at the same frequency in the coil 18 reciprocates. The frequency v of the resonant circuit results from the parameters Co, Ro and Lo, where as further and much more substantial damping component nor the
25 Dämpfung durch das angekoppelte Plasma hinzukommt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ergibt sich eine Frequenz von v = 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, s Erste spektroskopische Untersuchungen des Plasmas weisen in der Tat auf eine deutlich erhöhte Elektronendichte hin.2 5 attenuation added by the coupled plasma. In the embodiment described here results in a frequency of v = 29 kHz, which is simultaneously the excitation frequency of the plasma. The oscillation of the resonant circuit lasts for around 150 to 200 μs, during which the plasma is ignited and maintained, then it goes out. As a result of the construction described, a plasma can be produced by inductive coupling with an excitation frequency which is only about three orders of magnitude below the usual excitation frequencies at only 29 kHz. As mentioned in the introduction, a higher electron density in the plasma can be generated at such low excitation frequencies. First spectroscopic investigations of the plasma do indeed indicate a significantly increased electron density.
Nach dem Erlöschen des Plasmas wird der Kondensator 14 wieder aufgeladen, bis das Igni- tron 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 Entla- lo dungsphase 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 imAfter the plasma has been extinguished, the capacitor 14 is recharged until the ignitor 36 is switched to the conductive state by another control signal for recharging the capacitor. This results in a pulsed operation with a discharge phase of about 150 to 200 μs and a dark phase until the next control signal. The control signal is output by a controller (not shown) at a periodic pulse rate, which in turn dictates the duty cycle of the device. The pulse frequency can be 50 Hz, for example. Since the power during the pulse peaks is in the MW range, the period of the pulse frequency is in the
I5 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.I 5 generally well below the duration of the discharge phase, however, in very large and powerful plants, such as those for drinking water treatment, the pulse rate can be chosen so high that there is a quasi-continuous operation.
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform und Fig. 7 das zugehörige Schaltbild. Die Abwandlung besteht lediglich darin, daß anstelle des Ignitrons 36 ein Thyristorpaar 40 vorge- 20 sehen ist, das man auch als „Presspack" bezeichnet.Fig. 4 shows a modified embodiment and Fig. 7, the associated circuit diagram. The modification consists merely in that a thyristor pair 40 is provided instead of the ignitrone 36, which is also referred to as a "press pack".
In Fig. 5 ist der Behälter 12 mit der umgebenden Induktionsspule 18, wie sie in den Ausfuhrungsformen von Fig. 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 2S 2 mm x 20 mm.In Fig. 5, the container 12 with the surrounding induction coil 18, as used in the embodiments of Figs. 1 to 4, shown separately. The container 12 has a diameter of 20.3 cm and a spherical shape. The windings 18a to 18d of the induction coil 18 are made of copper and have a rectangular cross section of 2S 2 mm x 20 mm.
Der Behälter 12 von Fig. 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 Äquatorbe- reichs 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 s 45 ° bzw. 135°°.The container 12 of FIG. 5 can be divided into an equatorial region 42 and two pole regions 44. The equatorial region 42 is defined herein as the region containing an equatorial plane 46, ie, a plane in which the cross-sectional area in a plane perpendicular to the direction of the induced magnetic field B assumes its maximum value. Within the equatorial Reichs 42 decreases the cross-sectional area of the container 12 upwards and downwards continuously until the limit to the respective adjacent pole region 44 is reached. The boundary to the pole region is defined in the present description as the latitude at which the cross-sectional area has fallen to half, ie it is at a latitude of s 45 ° or 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 Erzeu-Essential for the particularly good coupling between the induction coil 18 and the plasma in the embodiment shown here is that two coil segments 18b and 18c are located in the equatorial region 42 and two coil segments 18a, 18d at least partially each in a pole region 44. Although all windings 18a to 18d or segments for generating
I0 gung 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 allge- is meinen 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 Fig. 5 gezeigten Aufbau lassen sich die Vorteile beider Spulenanordnungen, d.h. einer herkömmlichen Zylinderspule einerseits und einer 0 Flachspule andererseits vereinbaren. Tatsächlich führt die in Fig. 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.I 0 contribute contribution of the magnetic field, there are qualitative differences in their effect. The middle coil segments 18b and 18c act like a conventional cylindrical coil. The outer coil segments 18a and 18d, which lie at least partially in the pole regions 44, have an effect similar to that of known flat coils, so-called "pancake coils." The advantage of such flat coils is that the magnetic flux leakage is generally lower however, it is commonly believed that their increased capacitive coupling with the plasma is problematic compared to a solenoid, but capacitive coupling plays a relatively minor role at the low excitation frequencies used herein On the other hand, the geometry shown in Figure 5 results in a coupling efficiency of 0.8 in the experiments carried out, ie 80% of the energy of the capacitor is transferred to the plasma , and it's with a lei Depending on the modified structure, coupling efficiencies of 0.9 can even be achieved.
Ein weiterer Grund für die sehr hohe Kopplungseffizienz liegt darin, daß die Spulensegmente5 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.Another reason for the very high coupling efficiency is that the coil segments 5 18a to 18d bear very close to the container 12, with a maximum gap of 3 mm. Another advantage of the spherical geometry of the container 12 is that it has a maximum volume / surface ratio, which allows for increased electron density according to equation (7) above.
Die hier konkret beschriebene Ausführungsform dient vor allem zum Demonstrieren der Prin-0 zipien der Erfindung, und viele Abwandlungen sind möglich. Vielversprechend sind insbe- sondere Anwendungen mit größeren Behältern und Kondensatoren höherer Kapazitäten. Im folgenden werden einige Abwandlungen hinsichtlich der Leistungsquelle bzw. der Schaltung der Komponenten diskutiert.The specific embodiment described here serves above all to demonstrate the principles of the invention, and many modifications are possible. Promising are special applications with larger containers and capacitors of higher capacities. In the following, some modifications regarding the power source and the circuit of the components will be discussed.
Fig. 8 zeigt ein alternatives Ersatzschaltbild, welches demjenigen von Fig. 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 Fig. 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 Massepoten- tial liegt, und nicht, wie in der Anordnung von Fig. 7, auf Hochspannung. Die Anordnung von Fig. 7 hat jedoch den Vorteil, daß die parasitäre Induktivität zwischen dem Schaltelement 14 und dem Schwingkreis geringer ist.FIG. 8 shows an alternative equivalent circuit diagram, which is fundamentally similar to that of FIG. 7. The main difference is that the thyristor 40 is not arranged between the coil 18 and the ground potential, but between the capacitor and the ground potential. Note that in the illustration of Fig. 8, the reverse direction thyristor has been omitted for the sake of simplicity. This arrangement has the advantage that the coil is at ground potential during the charging process of the capacitor and not at high voltage, as in the arrangement of FIG. However, the arrangement of Fig. 7 has the advantage that the parasitic inductance between the switching element 14 and the resonant circuit is lower.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ersatzschaltbild, bei der das Schaltelement durch eine Vollwegbrücke aus vier Thyristoren THl bis TH4 gebildet wird. Bei dieser Brückenschaltung werden die Thyristoren THl und TH3 bzw. TH2 und TH4 abwechselnd angesteuert, so daß der Serienschwingkreis wechselseitig mit der Ladespannung von einer Stromquelle CL angesteuert wird. Diese Thyristor- Vollwegbrücke eignet sich besonders gut für einen „Quasi-CW-Betrieb".FIG. 9 shows a further equivalent circuit diagram in which the switching element is formed by a full-path bridge comprising four thyristors TH1 to TH4. In this bridge circuit, the thyristors THl and TH3 or TH2 and TH4 are alternately driven, so that the series resonant circuit is driven alternately with the charging voltage from a current source C L. This thyristor full-wave bridge is particularly well suited for "quasi-CW operation".
Die Ersatzschaltbilder von Fig. 10 und 11 entsprechen denjenigen von Fig. 8 und 9, außer daß die Thyristoren durch IGBTs ersetzt sind.The equivalent circuit diagrams of Figs. 10 and 11 are the same as those of Figs. 8 and 9 except that the thyristors are replaced by IGBTs.
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. BezugszeichenlisteAlthough preferred embodiments have been shown and described in detail in the drawings and the foregoing specification, this should be considered as illustrative and not restrictive of the invention. It should be understood that only the preferred embodiments are shown and described and all changes and modifications that are presently and in the future within the scope of the invention should be protected. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Einrichtung zur Plasmaerzeugung10 device for plasma generation
12 Behälter12 containers
14 Flansch14 flange
16 Gaszufuhr16 gas supply
18 Induktionsspule18 induction coil
20 Spulenhalterung20 coil holder
22 Verbindungselemente zwischen Spulensegmenten22 connecting elements between coil segments
24 Kondensator24 capacitor
26 erster Anschluß des Kondensators 2426 first terminal of the capacitor 24th
28 Stromzufuhr28 power supply
30 zweiter Anschluß des Kondensators 2430 second terminal of the capacitor 24th
32 erstes Ende der Spule 1832 first end of the coil 18th
34 zweites Ende der Spule 1834 second end of the coil 18th
36 Ignitron36 Ignitron
38 Steuereingang des Ignitrons38 Control input of the Ignitron
40 Thyristorpaar40 thyristor pair
42 Äquatorbereich42 equatorial area
44 Polbereiche44 pole areas
46 Äquatorebene 46 equatorial plane

Claims

Patentansprüche5 Patentansprüche5
1. 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, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Leistungsquelle, die geeignet ist, in der InduktivitätA device (10) for generating a plasma by inductive excitation, comprising a container (12) with a gas in which a plasma is to be generated, and an inductance (18) which is inductively coupled to the gas, characterized by a Power source that is suitable in inductance
I0 ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfrequenz v von unter 200 kHz, vorzugsweise unter 100 kHz, besonders vorzugsweise von 1 kHz bis 5O kHz und insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz zu erzeugen.I 0 an AC signal with an excitation frequency v of less than 200 kHz, preferably below 100 kHz, more preferably from 1 kHz to 5O kHz and in particular from 10 kHz to 30 kHz to produce.
2. Einrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die Leistungsquelle mindestens einen Kondenis sator (24) umfaßt, der auf eine Betriebsspannung aufladbar ist, und mindestens ein2. Device (10) according to claim 1, wherein the power source comprises at least one Kondenis capacitor (24) which is chargeable to an operating voltage, and at least one
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. 0 3. Einrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der der mindestens eine Kondensator (24) und die Induktivität (18) Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises bilden, dessen Eigenfrequenz der genannten Anregungsfrequenz (v) entspricht.Switching element (36, 40) which is switchable into a conductive state and is connected so that the at least one capacitor (24) in the conductive state of the switching element (36, 40) can discharge through the inductance (18) therethrough. 0 3. Device (10) according to claim 2, wherein the at least one capacitor (24) and the inductance (18) form components of an undamped electrical resonant circuit whose natural frequency of said excitation frequency (v) corresponds.
4. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der für 5 - die Amplitude Io des Wechselstromsignals, die Anregungsfrequenz v des Wechselstromsignals, die Induktivität LQ der Induktivität und einen Umfang b des Behälters (12) in einer Ebene senkrecht zum von der Induktivität erzeugten Magnetfeld folgende Beziehung gilt: 0 ^^ ≥ lkVIm . b 4. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein for 5 - the amplitude Io of the AC signal, the excitation frequency v of the AC signal, the inductance LQ of the inductor and a circumference b of the container (12) in a plane perpendicular to the of Inductance generated magnetic field following relationship applies: 0 ^^ ≥ lkVIm. b
5. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement mindestens einen Thyristor (40), mindestens einen IGBT oder mindestens einen Gasentladungsschalter (36) umfaßt.5. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein the switching element comprises at least one thyristor (40), at least one IGBT or at least one gas discharge switch (36).
6. Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der das Schaltelement (36, 40) zwischen dem Kondensator (24) und dem Massepotential angeordnet ist.6. Device (10) according to one of claims 2 to 5, wherein the switching element (36, 40) between the capacitor (24) and the ground potential is arranged.
7. Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der das Schaltelement (36, 40) zwischen der Induktivität (18) und dem Massepotential angeordnet ist.7. Device (10) according to one of claims 2 to 5, wherein the switching element (36, 40) between the inductance (18) and the ground potential is arranged.
8. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement durch eine Vollwegbrücke gebildet wird, die vier Schalter, insbesondere Thyristoren und/oder IGBTs umfaßt, die paarweise abwechselnd ansteuerbar sind.8. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein the switching element is formed by a full-wave bridge comprising four switches, in particular thyristors and / or IGBTs, which are controlled in pairs alternately.
9. Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der der mindestens eine Kondensator (24) oder eine Mehrzahl parallelgeschalteter Kondensatoren (24) eine Gesamtkapazität von 1 μF bis 100 μF, vorzugsweise von 6 μF bis 20 μF aufweist bzw. aufweisen.9. Device (10) according to one of claims 2 to 8, wherein the at least one capacitor (24) or a plurality of parallel-connected capacitors (24) has a total capacity of 1 μF to 100 μF, preferably from 6 μF to 20 μF exhibit.
10. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wechselstrom- signal maximale Stromanstiegsraten von 300 A/μs bis 30 kA/μs, vorzugsweise von10. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein the AC signal maximum current rise rates of 300 A / μs to 30 kA / μs, preferably from
1 kA/μs bis 10 kA/μs aufweist.1 kA / μs to 10 kA / μs.
11. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Induktivität Lo der Induktivität 1 μH bis 10 μH, vorzugsweise 1,5 μH bis 2,5 μH beträgt.11. Device (10) according to one of the preceding claims, in which the inductance Lo of the inductance is 1 μH to 10 μH, preferably 1.5 μH to 2.5 μH.
12. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Induktivität durch eine Spule (18) gebildet wird, die dem Behälter (12) umgibt.12. Device (10) according to one of the preceding claims, in which the inductance is formed by a coil (18) which surrounds the container (12).
13. Einrichtung (10) nach Anspruch 12, bei der die Spule eine Windungszahl von zwei bis acht, vorzugsweise von vier bis sechs hat.13. Device (10) according to claim 12, wherein the coil has a number of turns of two to eight, preferably from four to six.
14. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Behälter (12) sphärisch oder näherungsweise sphärisch ist. 14. A device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the container (12) is spherical or approximately spherical.
15. Einrichtung (10) nach Anspruch 14, bei der der sphärische oder näherungsweise sphärische Behälter (12) einen Äquatorbereich (42) umfaßt, in dem seine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert Amaχ auf einen Wert von Amax/2 abfällt, und zwei Polbereiche umfaßt, in denen die Querschnittsflä- s che von Amax/2 auf Null abfällt.The apparatus (10) of claim 14, wherein the spherical or approximately spherical container (12) includes an equatorial region (42) having a cross-sectional area in a plane perpendicular to the induced magnetic field from a maximum value A ma χ to a value of A max / 2 and includes two pole regions in which the cross-sectional area decreases from A max / 2 to zero.
16. Einrichtung (10) nach Anspruch 12 oder 13 und Anspruch 15, bei der mindestens eine der Windungen (18b, 18c) den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Äquatorbereich (42) umgibt und mindestens jeweils eine Windung (18a, 18d) den Behälter (12) zumin-o dest teilweise in dessen Polbereichen (44) umgibt.16. Device (10) according to claim 12 or 13 and claim 15, in which at least one of the turns (18b, 18c) at least partially surrounds the container (12) in its equatorial region (42) and at least one turn (18a, 18d). the container (12) at least partly in its pole regions (44) surrounds.
17. Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuerung, die geeignet ist, das mindestens eine Schaltelement (36, 40) periodisch mit einer Pulsfrequenz so anzusteuern, daß es in seinen leitfähigen Zustand schaltet. 517. Device (10) according to one of the preceding claims, comprising a controller which is suitable for periodically activating the at least one switching element (36, 40) with a pulse frequency in such a way that it switches into its conductive state. 5
18. Einrichtung (10) nach Anspruch 17, bei der die Pulsfrequenz mindestens 1 Hz, vorzugsweise mindestens 10 Hz und besonders vorzugsweise mindestens 50 Hz beträgt.18. Device (10) according to claim 17, wherein the pulse frequency is at least 1 Hz, preferably at least 10 Hz and more preferably at least 50 Hz.
19. Einrichtung zum Sterilisieren von Trinkwasser, bei der zu sterilisierendes Wasser in un-0 mittelbarer Nähe einer Plasmaentladungsquelle vorbeigeführt oder durch sie hindurchge- führt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Plasmaentladungsquelle eine Einrichtung (10) zur Plasmaerzeugung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.19. A device for sterilizing drinking water in which water to be sterilized is passed or passed through in the vicinity of a plasma discharge source, characterized in that the plasma discharge source has a plasma generating device (10) according to one of the preceding claims.
20. Einrichtung zur Lithographie von Halbleiterstrukturen, umfassend eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der vorhergehenden Ansprüche.20. A device for lithography of semiconductor structures, comprising a device for generating a plasma according to any one of the preceding claims.
21. Verwendung einer Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Sterilisation von Trinkwasser oder zur Belichtung in der HaIb- leiterlithographie.21. Use of a device (10) for generating a plasma according to one of the preceding claims for the sterilization of drinking water or for exposure in HaIb- Leiterlithographie.
22. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch induktive Anregung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in einer Induktivität (18), die mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, induktiv gekoppelt ist, ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfre- quenz ω erzeugt wird, die unter 20O kHz, vorzugsweise unter 100 kHz, besonders vorzugsweise zwischen 1 kHz und 50 kHz und insbesondere zwischen 10 kHz und 30 kHz beträgt.22. A method for generating a plasma by inductive excitation, characterized in that in an inductance (18) which is inductively coupled with a gas in which a plasma is to be generated, an alternating current signal with an excitation frequency ω is generated, which is below 20O kHz, preferably below 100 kHz, more preferably between 1 kHz and 50 kHz and in particular between 10 kHz and 30 kHz.
5 23. Verfahren nach Anspruch 22, 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. 5 23. The method of claim 22, wherein the AC signal is generated by a capacitor (24) is charged to an operating voltage and at least one switching element (36, 40) is switched to a conducting state so that the capacitor (24) discharged by the inductor.
I0 24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der mindestens eine Kondensator (24) und die Induktivität (18) Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises bilden, dessen Eigenfrequenz der genannten Anregungsfrequenz v entspricht.I 0 24. The method of claim 23, wherein the at least one capacitor (24) and the inductance (18) components of a not overdamped electrical oscillating circuit form, corresponds v whose natural frequency of said excitation frequency.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem für i5 - die Amplitude /o des Wechselstromsignals, die Anregungsfrequenz v des Wechselstromsignals, die Induktivität Lo der Induktivität und einen Umfang b des Behälters (12) in einer Ebene senkrecht zum von der Induktivität erzeugten Magnetfeld folgende Beziehung gilt: 0 ^^ ≥ lkV/m .25. The method according to any one of claims 22 to 24, wherein for i 5 - the amplitude / o of the alternating current signal, the excitation frequency v of the alternating current signal, the inductance Lo of the inductance and a circumference b of the container (12) in a plane perpendicular to The magnetic field produced by the inductance has the following relation: 0 ^^ ≥ lkV / m.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem das Schaltelement mindestens einen Thyristor (40), mindestens einen IGBT oder mindestens einen Gasentladungsschalter (36) umfaßt. 526. The method of claim 22, wherein the switching element comprises at least one thyristor, at least one IGBT or at least one gas discharge switch. 5
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, bei dem die Induktivität durch eine Spule (18) gebildet wird, die einen Behälter (12) umgibt.27. The method according to any one of claims 22 to 26, wherein the inductance is formed by a coil (18) surrounding a container (12).
28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Spule (18) eine Windungszahl von zwei bis0 acht, vorzugsweise von vier bis sechs hat.A method according to claim 27, wherein the coil (18) has a number of turns of two to eight, preferably four to six.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem der Behälter (12) sphärisch oder näherungsweise sphärisch ist. 29. The method according to any one of claims 22 to 28, wherein the container (12) is spherical or approximately spherical.
30. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der sphärische oder näherungsweise sphärische Behälter (12) einen Äquatorbereich (42) umfaßt, in dem die Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zum induzierten Magnetfeld von einem Maximalwert Amaχ auf einen30. The method of claim 29, wherein the spherical or approximately spherical container (12) comprises an equatorial region (42) in which the cross-sectional area in a plane perpendicular to the induced magnetic field from a maximum value A ma χ to a
5 Wert von Amaχ/2 abfällt, und zwei Polbereiche umfaßt, in denen die Querschnittsfläche von Amaχ/2 auf Null abfällt.5 value of A ma χ / 2 decreases, and includes two Polbereiche in which the cross-sectional area of A ma χ / 2 drops to zero.
31. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28 und Anspruch 30, bei dem mindestens eine der Windungen (18b, 18c) den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen ÄquatorbereichA method according to claim 27 or 28 and claim 30, wherein at least one of the turns (18b, 18c) at least partially surrounds the container (12) in its equatorial region
10 (42) umgibt und mindestens jeweils eine Windung (18a, 18d) den Behälter (12) zumindest teilweise in dessen Polbereichen (44) umgibt.10 (42) surrounds and at least one turn (18a, 18d) at least partially surrounds the container (12) in its pole regions (44).
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, bei dem das mindestens eine Schaltelement (36, 40) periodisch mit einer Pulsfrequenz so angesteuert wird, das es in seinen leit-32. The method according to any one of claims 22 to 31, wherein the at least one switching element (36, 40) is driven periodically at a pulse frequency so that it in its Leit-
I5 fähigen Zustand schaltet.I 5 enabled state switches.
33. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem die Pulsfrequenz mindestens 1 Hz, vorzugsweise mindestens 10 Hz und besonders vorzugsweise mindestens 50 Hz beträgt. 33. The method of claim 32, wherein the pulse rate is at least 1 Hz, preferably at least 10 Hz and more preferably at least 50 Hz.
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