DE102006012100B3

DE102006012100B3 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets

Info

Publication number: DE102006012100B3
Application number: DE102006012100A
Authority: DE
Inventors: Andrej Ignatkov; Jens Dr. Raacke
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: CN101326863A; KR20080104225A; ATE429799T1; EP1994807B1; WO2007104404A1; DE502007000650D1; JP2009529772A; US20090155137A1; EP1994807A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit mindestens einem Entladungsrohr, durch das ein Prozessgas hindurchströmt. Erfindungsgemäß ist an mindestens einem Entladungsrohr ein elektrisch leitender Entladungsschutz vorgesehen. Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass parasitäre Entladungen unterdrückt werden und die thermischen Belastungen der einzelnen Bauteile der Vorrichtung und des Substrates reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit mindestens einem Entladungsrohr, durch das ein Prozessgas hindurchströmt.
Eine solche Vorrichtung mit einem Entladungsrohr ist aus der Veröffentlichung von Jungo Toshifuji et al: „Cold arc-plasma jet under atmospheric pressure for surface modification", Surface and Coatings Technology 2003, Seite 302ff sowie der weiteren Veröffentlichung „Workshop Plasmabehandlung und Plasma-CVD-Beschichtung bei Atmosphärendruck", Dresden, 16. November 2004 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist ein Entladungsrohr aus dielektrischem Material auf, wobei eine erste Elektrode massiv ausgebildet und zentrisch im Inneren des Entladungsrohres in Längsrichtung sich erstreckend angeordnet ist, und wobei eine zweite Elektrode das Entladungsrohr umfasst. Die zweite Elektrode ist dabei konzentrisch ausgebildet, so dass erste Elektrode im Inneren, Entladungsrohr und zweite Elektrode einen koaxialen und im Querschnitt konzentrischen Aufbau mit einer offenen Stirnseite bilden, an der der Plasma-Jet erzeugt wird. Die innere, stabförmige Elektrode wird dazu auf Hochspannung gelegt, während die äußere Elektrode geerdet ist. Damit kommt es auf Grund der Verhältnisse des elektrischen Feldes bevorzugt zu einer Zündung des Plasmas an der Spitze der inneren, stabförmigen Elektrode. Das Plasma breitet sich dann in Richtung des Prozessgasflusses aus. Bei einem Betrieb mit Helium, Stickstoff oder Luft als Prozessgasen bildet sich ein diffuser Plasma-Jet zwischen der Spitze der inneren Elektrode und einem Substrat, das mit dem Plasma-Jet bearbeitet werden kann, aus. Es handelt sich dabei um ein „kaltes" Plasma, bei dem die Gastemperatur relativ gering ist; sie bewegt sich im Bereich der Zimmertemperatur bis max. einigen 100 Grad C.
Erhöht man jedoch nach Zündung des Plasma-Jets bei der bekannten Vorrichtung die anliegende Spannung, um mehr Leistung einzukoppeln, um z. B. einen längeren oder intensiveren Plasma-Jet zu erhalten, so beobachtet man, dass sich auch auf der Rückseite der inneren Elektrode bzw. an der auf gleichem Potential liegenden Befestigung der inneren Elektrode bei der bekannten Vorrichtung ein Plasma ausbildet – und zwar entgegengesetzt zur Prozessgasströmung. Diese zusätzliche sogenannte parasitäre Entladung ist unerwünscht, da sie nicht zum Jet beiträgt.
Ferner kann es bei der bekannten Vorrichtung bei hoher Betriebsspannung und damit großer eingekoppelter Leistung zu einer direkten Plasma-Verbindung, d. h. einem Überschlag, zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode kommen. Das Plasma ist dann nicht mehr diffus und kalt, sondern tritt kontrahiert in dünnen Kanälen auf, die eine wesentlich höhere Gastemperatur aufweisen. Dies kann zu einer Beschädigung der Vorrichtung und/oder des Substrates führen.
Weiterhin kann es zu einer thermischen Beschädigung des das Prozessgas zuführenden Gasschlauches kommen.

Aus der DE 101 29 758 A1 ist ein Plasmabrenner mit einer mit einem elektrischen Anschluss verbundenen stabförmigen Elektrode bekannt, die sich in einer mit einem Gasanschluss in Verbindung stehenden Kammer befindet. Das zur Bildung des gewünschten Plasmas erforderliche Gas wird hierbei über einen Gasanschluss zugeführt, der aufgeweitet ist.

Aus der DE 36 42 375 A1 ist weiterhin ein Plasmaspritzbrenner mit einer eine Elektrode bildenden Spritzdüse, die einen Düsenkanal enthält, bekannt. Bei dieser Anordnung ist ein Zentralrohr vorgesehen, an dessen einer Seite eine Scheibe mit einem konischen Ansatz aufgeschraubt ist. Durch diesen konischen Ansatz soll insbesondere ein guter Stromübergang erreicht werden.

Aus der US 6,372,298 B1 ist ferner bei einer Plasmabehandlungseinrichtung ein Kathodenhalter mit aufgeweiteter Geometrie bekannt, durch den das Arbeitsgas in das Innere der Kathodenanordnung strömen kann.

Schließlich beschreibt die EP 0 634 887 A1 bei einer weiteren Plasmaanordnung einen ganz ähnlich ausgestalteten, trichterförmigen Zufuhrkanal für ein Arbeitsgas.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets der eingangs genannten Art anzugeben, bei der parasitäre Entladungen auf geeignete Weise unterdrückt werden und keine Überschläge zwischen erster und zweiter Elektrode auftreten können. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, insgesamt die thermischen Belastungen der einzelnen Bauteile der Vorrichtung und des Substrates zu reduzieren, indem erreicht wird, dass nur „kaltes" Plasma erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung geht von der allgemeinen Erkenntnis aus, dass das Innere von metallischen, unter einer elektrischen Spannung stehenden Hohlkörpern feldfrei ist. Würde man jedoch, was für den Fachmann naheliegend wäre, einen Hohlzylinder wählen, hätte dieser den Nachteil, dass an den Rändern des Hohlzylinders das elektrische Feld in dessen Inneres hinreichen würde, so dass unter Umständen ein zur Zündung des Plasmas ausreichendes Feld an einem – unerwünschten – Ort im Gasschlauch vorhanden wäre. Daher ist erfindungsgemäß die metallische Halterung für den Gasschlauch derart ausgeführt, das diese sich konisch unter einem bestimmten Winkel oder auch auf andere Weise, etwa treppenförmig, aufweitet, so dass das axial elektrische Feld am Rande der Halterung wesentlich kleiner ist als bei einem üblichen Hohlzylinder mit konstantem Durchmesser. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind alle Kanten der Halterung abgerundet, um hohe elektrische Felder zu vermeiden.

Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, ist die zweite, äußere, geerdete Elektrode nicht mehr, wie nach dem Stand der Technik bekannt, unmittelbar auf dem Entladungsrohr angeordnet, sondern weist einen gewissen radialen Abstand auf.

Nach einer besonders vorteilhaften anderen Weiterbildung der Erfindung ist auf dem Ende des Entladungsrohres eine Abschlusskappe aus einem Dielektrikum angebracht. Damit lässt sich ein intensiverer Plasma-Jet insbesondere bei der Verwendung von Edelgasen erzeugen.

Nach einer vorteilhaften, nochmals modifizierten Weiterentwicklung der Erfindung ist zwischen dem Gasschlauch und dem Entladungsrohr ein Filter vorgesehen. Damit wird zusätzlich zu den bereits beschriebenen Vorteilen der Erfindung auch eine Geräuschbildung durch Verwirbelung unterdrückt. Diese Geräuschbildung tritt bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen dadurch auf, dass das Prozessgas unmittelbar aus der Gaszuführung über einen Schlauch o. ä. in die Entladungskammer strömt und durch die Umströmung der Halterung der inneren Elektrode es zu einer Verwirbelung mit damit verbundener Geräuschentwicklung kommt.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entladungsrohr
2 eine zweite Ausführungsform einer solchen Vorrichtung
3 eine dritte Ausführungsform einer solchen Vorrichtung mit einer zusätzlichen Abschlusskappe
4 eine vierte Ausführungsform einer solchen Vorrichtung mit einer modifizierten Abschlusskappe
5 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Entladungsrohren
6 eine zweite Ausführungsform einer solchen Vorrichtung.
Zunächst soll die in 1 schematisch dargestellte erste erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert werden. Sie weist ein Entladungsrohr 1 auf, in dessem Inneren eine innere, stabförmige, massive Elektrode 2 angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist am Ende des Entladungsrohres 1 ein metallischer Entladungsschutz 3 vorgesehen. Der Entladungsschutz 3 ist gleichzeitig die Halterung für einen Gasschlauch 4, durch den das Prozessgas zugeführt wird. Die Strömungsrichtung des Prozessgases ist durch einen Pfeil symbolisiert. Der Entladungsschutz 3 ist weiterhin auch Halterung und dient zur Kontaktierung für das Hochspannungskabel 5. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist hier noch ein Filter 6 aus Sintermaterial vorgesehen. Dieses Filter 6 wird weiter unten noch näher erläutert. Die innere Elektrode 2, die z. B. aus Wolfram besteht, wird durch dieses Filter 6 gehalten und in ihrer zentrischen Lage im Inneren des Entladungsrohres 1 fixiert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Entladungsschutz 3 so ausgeführt, dass sich die metallische Halterung für den Gasschlauch 4 konisch unter einem Winkel α aufweitet, so dass das axiale elektrische Feld am Rande der Halterung wesentlich kleiner ist, als dies bei einem Hohlzylinder mit konstantem Durchmesser nach dem Stand der Technik bekannt wäre. Der Winkel α hängt von der maximalen Betriebsspannung sowie dem Verhältnis der Durchmesser des Gasschlauches 4 einerseits und des Durchmessers des Entladungsrohres 1 andererseits ab. Besonders vorteilhaft ist es, alle Kanten des Entladungsschutzes 3, insbesondere im Bereich der Halterung, abzurunden, um hohe elektrische Felder zu vermeiden.
Durch die Verwendung des Filters 6, wie in der 1 gezeigt, zwischen dem Gasschlauch 4 und dem Entladungsrohr 1 wird eine mögliche Geräuschbildung durch Verwirbelung unterdrückt. Nach dem Durchtritt durch das Filter 6 ist die Gasströmung im Wesentlichen laminar und stabil. Das Filter 6 kann, wie ebenfalls in der 1 gezeigt, in einer besonderen Ausführungsform, z. B. wenn es aus Sinterbronze besteht, gleichzeitig als Halterung der inneren Elektrode 2 verwendet werden. Weiterhin entsteht im rückwärtigen Bereich des Filters 6, entgegen der Strömungsrichtung des Prozessgases, ein Staudruck, der sich ebenfalls auf die erwünschte Unterdrückung parasitärer Entladungen auswirkt, da die Zündfeldstärke des Prozessgases eine Funktion des herrschenden Druckes ist. Befindet man sich auf dem rechten Ast der sogenannten Paschenkurve, so steigt die Zündspannung eines Gases mit steigendem Druck. Diese Zusammenhänge sind dem Fachmann geläufig.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der der Entladungsschutz 3 anders gestaltet ist. Bei dieser Ausführungsform ist im Entladungsschutz 3 eine Bohrung mit einem Durchmesser d und einer Tiefe t vorgesehen. Auch bei dieser Ausführungsform wird dadurch ein wesentlich kleineres axiales elektrisches Feld am Rand der Halterung realisiert. Im Rahmen der Erfindung sind auch weitere Ausführungsformen des Entladungsschutzes 3 denkbar, beispielsweise eine treppenförmige Ausweitung statt eines Winkels α.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Abweichend vom Stand der Technik ist hier eine äußere geerdete Elektrode 7 nicht mehr unmittelbar auf dem Entladungsrohr 1, sondern in einem gewissen radialem Abstand zu diesem angeordnet. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform auf dem offenen Ende des Entladungsrohres 1 eine dielektrische Abschlusskappe 8 angebracht. Die Abschlusskappe 8 besteht z. B. aus Teflon oder einem anderen Kunststoff mit entsprechender thermischer und mechanischer Stabilität, alternativ aber auch Keramik. Auf besonders einfache Weise kann die Abschlusskappe 8 durch Verschrauben mit der äußeren Elektrode 7 befestigt sein.
Die Abschlusskappe 8 aus dielektrischem Material dient der Erzeugung eines Plasma-Jets besonders für Edelgase als Prozessgase bei relativ geringer Leistungseinkopplung von typischer Weise einigen Watt. Gleichzeitig verhindert die erfindungsgemäße Abschlusskappe 8 einen Überschlag zwischen der inneren Elektrode 2 und der geerdeten äußeren Elektrode 7, da der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden nun elektrisch wesentlich größer ist.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modifizierten, zweiteilig ausgebildeten Abschlusskappe 8 gezeigt. Der äußere Teil besteht weiterhin aus einem Dielektrikum, während zusätzlich ein innerer metallischer Einsatz 9 vorgesehen ist, der mit der äußeren Elektrode 7 leitend verbunden ist. Diese Ausführung ist besonders für ein Arbeiten mit molekularen Gasen als Prozessgas geeignet; der innere metallische Einsatz 9 führt zu einer Erhöhung des elektrischen Feldes im Inneren des Entladungsrohres 1 und damit auch zu einem intensiveren Plasma-Jet.
Im Rahmen der Erfindung kann die äußere Elektrode 7 auch auf andere Weise teilweise von einem Dielektrikum umschlossen bzw. vollständig in einem Dielektrikum eingeschlossen sein.
In 5 ist in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Entladungsrohren 1, eine sogenannte Multijet-Anordnung, gezeigt. Es sind mehrere parallele Entladungsrohre 1 dargestellt, die von einem Zufuhrkanal 10 für das Prozessgas und einem Gasverteilungssystem 11 jeweils mit diesem Prozessgas versorgt werden. Eine solche Anordnung ist prinzipiell ebenfalls bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der bekannten Anordnung würde unter einer Vielzahl von Entladungsrohren dasjenige bevorzugt vom Prozessgas durchströmt werden, das den geringsten Strömungswiderstand aufweist bzw. am dichtesten sich am Zufuhrkanal 10 befindet. Eine solche Ungleichmäßigkeit des Prozessgasaustrittes beim Stand der Technik wirkt sich negativ auf die Gleichmäßigkeit der Oberflächenbehandlung eines Substrates aus.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in jedem Entladungsrohr 1 ein Filter 6, so wie es weiter oben bereits erläutert wurde, angeordnet, dessen Strömungswiderstand wesentlich größer ist als der Strömungswiderstand des Entladungsrohres 1 selbst, so dass sich eine gleichmäßige Versorgung jedes Entladungsrohres 1 mit Prozessgas ergibt; dies führt zu einer Vergleichmäßigung der einzelnen parallelen Plasma-Jets.
Schließlich ist in 6 eine nochmals modifizierte Ausführungsform einer solchen Anordnung gezeigt, bei der statt einzelner Filter eine größere, gemeinsame Filterplatte 12 vor den einzelnen Entladungsrohren 1 angeordnet ist.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit mindestens einem Entladungsrohr (1), durch das ein Prozessgas hindurchströmt, wobei die Wandung des Entladungsrohres (1) aus dielektrischem Material besteht, wobei eine erste Elektrode (2) massiv ausgebildet und zentrisch im Inneren des Entladungsrohres (1) in dessen Längsrichtung sich erstreckend angeordnet ist, wobei eine zweite Elektrode (7) in axialer Richtung die Wandung des Entladungsrohres (1) konzentrisch umschließend angeordnet ist, derart, dass erste Elektrode (2), Entladungsrohr (1) und zweite Elektrode (7) einen koaxialen und im Querschnitt konzentrischen Aufbau mit einer offenen Stirnseite bilden, an der der Plasma-Jet erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Entladungsrohr (1) ein Entladungsschutz (3) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, der mit der ersten Elektrode (2) verbunden ist, wobei der Entladungsschutz (3) als Halterung für das freie Ende eines Gasschlauches (4), durch den das Prozessgas zugeführt wird, dient und sich die dem freien Ende des Gasschlauches (4) zugewandte Seite des Entladungsschutzes (3) in Richtung des Gasschlauches (4) aufweitet, so dass ein Zwischenraum zwischen dem Gasschlauch (4) und dem aufgeweiteten Ende des Entladungsschutzes (3) gebildet wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem freien Ende des Gasschlauches (4) zugewandte Seite des Entladungsschutzes (3) konisch unter einem Winkel α aufgeweitet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem freien Ende des Gasschlauches (4) zugewandte Seite des Entladungsschutzes (3) durch eine zentrische Bohrung aufgeweitet ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (7) in einem radialen Abstand zum Entladungsrohr (1) um dieses herum angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnseite der Vorrichtung, an der der Plasma-Jet erzeugbar ist, eine dielektrische, konzentrische Abschlusskappe (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusskappe (8) aus Teflon oder Keramik besteht.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusskappe (8) zweiteilig ausgebildet ist, derart, dass ein zusätzlicher, innerer metallischer Einsatz (9) vorgesehen ist, der mit der zweiten Elektrode (7) leitend verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Patenansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (7) vollständig oder teilweise von einem Dielektrikum umschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Entladungsrohr (1) und dem freien Ende des Gasschlauches (4) ein vom Prozessgas durchströmbares Filter (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (6) aus Sintermaterial besteht.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (6) aus Sinterbronze besteht.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Entladungsrohre (1), die jeweils einen separaten Entladungsschutz (3) und ein Filter (6) enthalten, parallel zueinander angeordnet sind und dass das Prozessgas mittels eines einzigen Zufuhrkanals (10) und eines Gasverteilungssystems (11) durch jedes der Entladungsrohre (1) hindurchströmt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter aller parallelen Entladungsrohre (1) zu einer einzigen Filterplatte (12) baulich vereinigt sind.