KMU-innovativ Mikrowellen-Halbleiter getriebene Plasmaquellen hoher Leistungsbereiche für die Plasmaerzeugung (MWPlasma)

Problemstellung
Zur industriellen Erzeugung von Mikrowellen, insbesondere hoher Leistung, werden derzeit vor allem Vakuumröhren mit einer Frequenz von 915 MHz eingesetzt. Aufgrund von Fertigungstoleranzen schwankt dabei die Frequenz der Mikrowellen um mehr als 10 MHz. Im Bereich der Mikrowellenplasmen gestützten Schichtabscheidung ist die Stabilität der Prozesse und der dazu notwendigen Mikrowellenanregung sehr wichtig. Nur so können Schichten hoher Qualität, z. B. eine Diamantschicht für Werkzeuge oder für Schmuck, abgeschieden werden.

Projektziele
Ziel des KMU-innovativ-Projekts MWPlasma ist es, mittels Hochleistungshalbleitern Mikrowellen mit 915 MHz für die Plasmaerzeugung im Leistungsbereich von 5 bis 50kW einzusetzen und so die Vakuumröhrentechnologie zu ersetzen. Dadurch sollen die Laufzeit- und die Frequenzstabilität der Anlagen sowie die Gleichmäßigkeit der Plasmaerzeugung verbessert werden.

Vorgehensweise
Am Markt verfügbare Hochleistungshalbleitermodule (SSD) bieten eine vergleichsweise geringe Einzelleistung von kleiner als 1 kW. Das macht es notwendig, mehrere dieser Halbleitermodule auf mikrowellenerzeugenden Platinen zusammenzuschalten. Damit lässt sich eine Leistung von bis zu 5 kW erreichen. Eine weitere Leistungserhöhung wird durch die synchrone Einspeisung von Mikrowellen aus mehreren Platinen in die Plasmaanlage erreicht. Hierfür wird eine Voraussetzung geschaffen, Frequenz, Phasenlage und Leistung von jedem SSD unabhängig voneinander zu regeln. Erst auf dieser Basis kann eine Mikrowellenleistungseinkopplung von deutlich mehr als 50 Prozent der eingesetzten elektrischen Leistung erreicht und die Plasmaerzeugung insgesamt wie angestrebt optimiert werden. Diese Lösung bietet auch einen sicherheitstechnischen Vorteil, da im Anlagenbereich keine Hochspannung mehr benötigt wird. Die neuartige Mikrowellenerzeugung wird elektronisch, steuerungstechnisch und kühltechnisch in das Anlagenkonzept integriert. Es wird ein Komplettsystem für die Plasmaerzeugung mit angepasstem Sicherheitskonzept als Demonstrator entwickelt, in eine Beschichtungsanlage eingebaut und erprobt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Nach erfolgreicher Umsetzung des Projekts ist es geplant, sowohl die mikrowellenerzeugenden Platinen als auch die vollständigen Plasmaanlagen bei den Projektpartnern in Deutschland zu fertigen und weltweit zu vermarkten. Die damit erreichbare deutliche Verbesserung von Laufzeitstabilität, Frequenzstabilität der Anlagen sowie Gleichmäßigkeit der Plasmaerzeugung lässt hohes Marktpotenzial erwarten. Das neue Mikrowellenanregungskonzept lässt sich auch auf weitere Anlagen, wie z. B. für die plasmagestützte Gasphasensynthese zur Herstellung von Acetylen oder Synthesegas, übertragen. Eine Nachrüstung vorhandener Anlagen ist ebenso möglich.