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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Ermitterelektroden für Gasionisierer
und insbesondere eine aus einem Karbidmaterial wie etwa Siliziumkarbid ausgebildete
Gasionisiererermitterelektrode.
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Ionengeneratoren
betreffen allgemein das Gebiet von Einrichtungen, die statische
Ladungen in Arbeitsräumen
neutralisieren, um das Potential für eine elektrostatische Entladung
auf ein Minimum zu reduzieren. Eliminierung elektrostatischer Aufladung ist
eine wichtige Aktivität
bei der Produktion von Technologien wie etwa großintegrierten Schaltungen, magnetoresistiven
Aufzeichnungsköpfen
und dergleichen. Die Erzeugung von teilchenförmiger Materie durch eine Corona
erzeugende Elektroden in Entelektrisierungsgeräten steht im Wettbewerb mit
der gleichermaßen
wichtigen Notwendigkeit, Umgebungen herzustellen, die von Teilchen
und Verunreinigungen frei sind. An solchen Technologien können metallische
Verunreinigungen fatale Beschädigungen
hervorrufen, weshalb es wünschenswert
ist, jene Verunreinigungen auf das niedrigst mögliche Niveau zu unterdrücken.
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In
der Technik ist bekannt, daß,
wenn Metallionenemitter Coronaentladungen in Raumluft unterworfen
werden, sie innerhalb einiger weniger Stunden Zeichen einer Verschlechterung
und/oder Oxidation und die Erzeugung von feinen Teilchen zeigen. Dieses
Problem herrscht bei Nadelelektroden vor, die aus Kupfer, rostfreiem
Stahl, Aluminium und Titan ausgebildet werden. Korrosion findet
man in Bereichen unter der Entladung oder der aktiven gasförmigen Spezies
NOx unterworfen. NO3-Ionen
findet man an allen den obigen Materialien, ob die Emitter eine positive
oder negative Polarität
aufwiesen. Außerdem
hängt die
mit Ozon in Zusammenhang stehende Korrosion von der relativen Feuchtigkeit
und der Kondensationskerndichte ab. Die Emitterelektroden mit trockener
Luft zu spulen, kann NH4 NO3 als
entweder als eine schwebende Verunreinigung oder Abscheidung auf
den Emittern reduzieren.
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Oberflächenreaktionen
führen
zur Ausbildung von Verbindungen, die die mechanische Struktur der
Emitter ändern.
Gleichzeitig führen
jene Reaktionen zur Erzeugung von Teilchen aus den Elektroden oder
tragen zur Ausbildung von Teilchen in der Gasphase bei.
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Silizium-
und Siliziumdioxid-Emitterelektroden erfahren bei Vorliegen von
Coronaentladungen eine signifikant geringere Korrosion als Metalle.
Silizium erfährt
bekannterweise eine thermische Oxidation, eine Plasmaoxidation,
eine Oxidation durch Ionenbeschuß und -implantierung und ähnliche
Formen der Nitrierung. Einige haben versucht, Siliziumemitter zu
verbessern, indem sie 99,99% reines Silizium verwendeten, das einen
Dotierstoff wie etwa Phosphor, Bor, Antimon und dergleichen enthält. Beispielsweise
sind aus dem
US-Patent Nr. 5,650,203 (Gehlke)
Siliziumemitter bekannt, die ein Dotierstoffmaterial enthalten.
Jedoch leiden sogar solche hochreinen dotierten Siliziumemitter
unter Korrosion und Verschlechterung.
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Ein
weiterer Ansatz besteht in der Ausbildung von Emitterelektroden
aus fast reinem Germanium oder aus Germanium mit einem Dotierstoffmaterial.
Beispielsweise sind aus dem
US-Patent
Nr. 6,215,548 (Noll) Germaniumnadeln oder Emitterelektroden
zur Verwendung in wenige Teilchen erzeugenden Gasionisierern und
Entelektrisierungsgeräten bekannt.
Wenngleich sich herausgestellt hat, daß solche Germaniumemitterelektroden
für Korrosion und
Verschlechterung weniger anfällig
sind als metallische Emitterelektroden und Siliziumemitterelektroden
mit einem Dotierstoff, besteht eine Notwendigkeit für eine Emitterelektrode, die
noch weniger metallische und/oder unmetallische Verunreinigung mit
einer verbesserten Erosionsbeständigkeit
erzeugt oder verursacht.
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Aus
JP 63 13 0149 , die so angesehen
wird, daß sie
den nächstliegenden
Stand der Technik darstellt, ist eine Elektrode bekannt, deren Oberfläche aus
einer Siliziumkarbidschicht ausgebildet ist. Die Schicht wird erhalten
durch Ausbilden von Siliziumkarbid auf der Oberfläche eines
Metallmaterials unter Verwendung eines CVD-Verfahrens. Die Notwendigkeit,
zuerst einen aus einem Metall hergestellten Elektrodenkörper zu
produzieren, und die weitere Notwendigkeit, auf der Oberfläche des
Metalls durch ein CVD-Verfahren eine Siliziumkarbidschicht auszubilden,
führt bei
der Produktion zu hoher Komplexität und deshalb zu hohen Produktionskosten.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Kurz
gesagt umfaßt
bei einer Ausführungsform
die vorliegende Erfindung eine aus einem Karbidmaterial ausgebildete
Ionisiereremitterelektrode, wobei das Karbidmaterial ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus Germaniumkarbid, Borkarbid, Siliziumkarbid
und Silizium-Germaniumkarbid. Die vorliegend Erfindung umfaßt außerdem eine
im wesentlichen aus Siliziumkarbid ausgebildete, eine Corona erzeugende
Ionisiereremitterelektrode. Bei noch einem weiteren Aspekt ist die
vorliegende Erfindung eine eine Corona erzeugende Ionisiereremitterelektrode,
die Gas ionisiert, wenn Hochspannung daran angelegt wird, und die
Emitterelektrode ist im wesentlichen aus Siliziumkarbid mit dem
notwendigen Dotierstoff ausgebildet, um einen spezifischen Widerstand
von gleich oder weniger als etwa einhundert Ohm-Zentimeter (100 Ω-cm) zu
erzielen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorausgegangene Zusammenfassung sowie die folgende ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung lassen sich besser verstehen bei Lektüre in Verbindung
mit den angehängten
Zeichnungen. Zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung werden
in den Zeichnungen Ausführungsform
gezeigt, die gegenwärtig
bevorzugt werden. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung und ihre Anwendungen
nicht auf die gezeigten präzisen
Anordnungen und Instrumentalitäten beschränkt sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer aus einem Karbidmaterial gemäß einiger bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Emitterelektrode;
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2A eine
schematische Ansicht einer Punkt-zu-Ebene-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2B eine
schematische Ansicht einer Punkt-zu-Punkt-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2C eine
schematische Ansicht einer Draht-zu-Ebene-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2D eine
schematische Ansicht einer Draht-zu-Zylinder-Coronaerzeugungsvorrichtung
gemäß einer
vierten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2E eine
schematische Ansicht einer Punkt-zu-Raum-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
fünften bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Schemadiagramm eines Gasionisierers, der die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nutzt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte
Terminologie wird in der folgenden ausführlichen Beschreibung lediglich
der Zweckmäßigkeit
halber verwendet und ist nicht beschränkend. Die Wörter "rechts", "links", "untere" und obere bezeichnen
Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die
Wörter "einwärts" und "auswärts" beziehen sich auf
Richtungen in Richtung auf bzw. weg von der geometrischen Mitte
der beschriebenen Einrichtung und bezeichneter Teile davon. Die
Terminologie enthält
die oben spezifisch erwähnten
Wörter,
Ableitungen davon und Wörter
von ähnlicher
Bedeutung. Außerdem
bedeutet das Wort "ein" wie in den Ansprüchen und
in den entsprechenden Abschnitten der Spezifikation verwendet "ein" oder "mindestens ein".
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Unter
eingehender Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Zahlen
durchweg gleiche Elemente darstellen, wird in 1 eine
aus einem Karbidmaterial wie etwa Siliziumkarbid (SiC) ausgebildete
Emitterelektrode 12 gemäß gewisser bevorzugter
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Emitterelektrode weist einen allgemein
zylinderförmigen
Körper
und eine allgemein konische Spitze 18 auf, die mit einem
abgerundeten Ende 17 endet. Alternativ ist das abgerundete Ende 17 scharf
kegelförmig
oder spitz. Das hintere Ende weist eine Fase 19 auf. Die
Gestalt der Emitterelektrode 12 von 1 ist lediglich
beispielhaft und sollte nicht als auf diese Erfindung begrenzend
ausgelegt werden. Andere Gestalten, Größen oder Proportionen können verwendet
werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Durch
Versuche hat sich herausgestellt, daß reines und ultrareines SiC
länger
hält als
andere Elektrodenmaterialien wie metallische Elektroden oder solche
aus dotiertem Silizium und sogar aus reinem Germanium. Es hat sich
herausgestellt, daß SiC eine
hervorragende chemische, Plasma- und Erosionsbeständigkeit
mit phänomenalen
thermischen Eigenschaften im Vergleich zu den anderen erwähnten Elektrodenmaterialien
aufweist. Die CVD-Herstellung (Abscheidung aus der Gasphase) erzeugt
CVD-SiC, das hochrein ist und im Handel erhältlich ist. Beispielsweise
können
durch CVD-Herstellung Reinheiten von etwa 99,9995% CVD-SiC erhalten
werden. Wegen der hohen Reinheit von CVD-SiC ist das Potential für unerwünschte metallische
und nichtmetallische Kontamination in Gasionisationsanwendungen drastisch
reduziert und fast eliminiert. CVD-SiC-Emitterelektroden 12 weisen
auch eine größere mechanische
Festigkeit und reduzierten Bruch im Vergleich zu ähnlich ausgelegten
halbleitenden Gegenstücken auf.
Versuche haben gezeigt, daß Emitterelektroden aus
SiC, insbesondere CVD-SiC, bezüglich
feiner Teilchen reiner sind als Emitter aus polykristallinem Germanium
und Emitterelektroden aus einkristallinem Silizium. Andere Karbidmaterialien,
die physikalische Eigenschaften aufweisen, können verwendet werden wie etwa
Germaniumkarbid, Borkarbid, Siliziumkarbid, Silizium-Germaniumkarbid
und dergleichen.
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Bevorzugt
besteht die Emitterelektrode 12 aus mindestens 99,99% reinem
Siliziumkarbid. Bevorzugt ist das Siliziumkarbid CVD-Siliziumkarbid. Bevorzugt
ist die Emitterelektrode eine Corona erzeugende Ionisiereremitterelektrode 12,
die im wesentlichen aus Siliziumkarbid ausgebildet ist.
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Ein
Dotieren des Karbidmaterials kann erforderlich sein, um die gewünschte Leitfähigkeit
zu erzielen. Beispielsweise wird im Fall von Siliziumkarbid in der
Regel Stickstoff eingeführt,
um die Leitfähigkeit (den
spezifischen Widerstand) zu steuern. Bevorzugt wird das Karbidmaterial
dotiert, um vorbestimmte Leitfähigkeitscharakteristiken
zu erzielen.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird ein typischer Gasionisierer 100 schematisch
gezeigt, der die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
nutzt. Die Gasionisierer 100 liefern in der Regel ionisiertes
Gas an einen Reinraum wie etwa einen Reinraum der Klasse 10 oder
eine andere Miniumgebung mit hoher Sauberkeit. Eine Hochspannungsstromversorgung 22 ist
elektrisch an die Emitterelektrode 12 gekoppelt. Durch
Anlegen von Hochspannung an die Elektrode 12 wird eine
Corona erzeugt. Der Gasionisierer 100 kann mehrere Emitterelektroden 12 umfassen,
die alle an eine Wechselspannung angeschlossen sind, um sowohl positive als
auch negative Ionen zu erzeugen (nicht gezeigt). Alternativ umfaßt der Gasionisierer 100 zwei
getrennt angeschlossene Sätze
elektrischer Emitterelektroden 12, die in Verbindung mit
einer zweipoligen Gleichspannung verwendet werden, wodurch ein Satz
von Emitterelektroden 12 bei einer positiven Spannung und
ein zweiter Satz von Emitterelektroden 12 bei der negativen
Spannung betrieben werden können,
um positive und negative Ionen zu erzeugen (nicht gezeigt).
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Die
Hochspannungsstromversorgung 22 erhält in der Regel elektrischen
Strom, der auf zwischen etwa siebzig (70 V) und etwa zweihuntertundvierzig
(240 V) Volt Wechselspannung bei zwischen etwa fünfzig (50 Hz) und etwa sechzig
(60 Hz) Hertz konditioniert ist. Die Hochspannungsstromversorgung 22 kann
eine nicht ausführliche
gezeigte Schaltung wie etwa einen Transformator enthalten, die in der
Lage ist, die Spannung auf zwischen etwa dreitausend (3 kV) und zehntausend
(10 kV) Volt Wechselstrom bei zwischen etwa fünfzig (50 Hz) und etwa sechzig
(60 Hz) Hertz heraufzutransformieren. Alternativ kann die Hochspannungsstromversorgung 22 eine
Schaltung wie einen Gleichrichter enthalten, die eine Anordnung
aus Diode und Kondensator enthält, die
in der Lage ist, die Spannung aus zwischen etwa fünftausend
(5 kV) und zehntausend (10 kV) Volt Gleichspannung sowohl positiver
als auch negativer Polarität
heraufzusetzen. Alternativ erhält
die Hochspannungsstromversorgung 22 auf etwa vierundzwanzig
(24 V) Volt Gleichspannung konditionierten elektrischen Strom. Die
Hochspannungsstromversorgung 22 kann eine Schaltung wie
etwa einen freistehenden Oszillator oder eine Anordnung vom Schalttyp
enthalten, mit der ein Transformator angesteuert wird, dessen Ausgabe
gleichgerichtet ist, die in der Lage ist, die Spannung auf zwischen
etwa dreitausend (3 kV) und zehntausend (10 kV) Volt Gleichstrom
sowohl positiver als auch negativer Polarität zu konditionieren. Andere
Stromversorgungen unter Verwendung anderer Spannungen können genutzt werden,
ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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2A ist
eine schematische Ansicht einer Punkt-zu-Ebene-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Emitterelektrode 12 ist
in einer Punktgeometrie angeordnet, und eine Gegenelektrode 20 ist
in einer Ebenengeometrie angeordnet. Die Stromversorgung 22 ist
elektrisch an die Emitterelektrode 12 gekoppelt, um eine
Corona zu erzeugen. Die Gegenelektrode 20 kann im Fall
einer Hochspannungs-Wechselspannung an Masse (d.h. Erde) oder zu
einer entgegengesetzten Polarität
der Stromversorgung 22 als der Emitterelektrode 12 im
Fall einer Hochspannungs-Gleichspannung angeschlossen sein.
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2B ist
eine schematische Ansicht einer Punkt-zu-Punkt-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Zwei oder mehr Emitterelektroden 12 sind
in einer Punktgeometrie angeordnet, wobei die Elektroden entgegengesetzte
Spannungspolarität
aufweisen. Die Stromversorgung 22 ist elektrisch an jede
Emitterelektrode 12 gekoppelt, um eine Corona zu erzeugen.
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2C ist
eine schematische Ansicht einer Draht-zu-Ebene-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Eine aus SiC ausgebildete Drahtelektrode 23 ist
in einer Dünndrahtgeometrie angeordnet,
und eine Gegenelektrode 20 ist in einer Ebenengeometrie
angeordnet. Die Stromversorgung 22 ist elektrisch an die
Emitterelektrode 12 gekoppelt, um eine Corona zu erzeugen.
Die Stromversorgung 22 ist elektrisch an jede Emitterelektrode 12 gekoppelt,
um eine Corona zu erzeugen. Die Gegenelektrode 20 kann
im Fall einer Hochspannungs-Wechselspannung an Masse (d.h. Erde)
oder zu einer entgegengesetzten Polarität der Stromversorgung 22 als der
Emitterelektrode 12 im Fall einer Hochspannungs-Gleichspannung
angeschlossen sein.
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2D ist
eine schematische Ansicht einer Draht-zu-Zylinder-Coronaerzeugungsvorrichtung
gemäß einer
vierten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Eine aus SiC ausgebildete Drahtelektrode 23 ist
in einer Dünndrahtgeometrie angeordnet,
und die Gegenelektrode 21 ist in einer Ebenengeometrie
angeordnet. Die Stromversorgung 22 ist elektrisch an die
Emitterelektrode 12 gekoppelt, um eine Corona zu erzeugen.
Die Stromversorgung 22 ist elektrisch an jede Emitterelektrode 12 gekoppelt,
um eine Corona zu erzeugen. Die Gegenelektrode 21 kann
im Fall einer Hochspannungs-Wechselspannung an Masse (d.h. Erde)
oder zu einer entgegengesetzten Polarität der Stromversorgung 22 als der
Emitterelektrode 12 im Fall einer Hochspannungs-Gleichspannung
angeschlossen sein.
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2E ist
eine schematische Ansicht einer Punkt-zu-Raum-Coronaerzeugungsvorrichtung gemäß einer
fünften
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Emitterelektrode 12 ist
in einer Punktgeometrie angeordnet, und es liegt keine Gegenelektrode 20, 21 vor.
Die Stromversorgung 22 ist elektrisch an die Emitterelektrode 12 gekoppelt, um
eine Corona zu erzeugen. Die Stromversorgung 22 ist ebenfalls
an Masse (d.h. Erde) angeschlossen.
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Aus
dem oben gesagten ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung
eine aus Siliziumkarbid (SiC) oder CVD-SiC ausgebildete Emitterelektrode zur
Verwendung mit Gasionisierern umfaßt. Der Fachmann auf dem Gebiet
versteht, daß an
den oben beschriebenen Ausführungsformen Änderungen
vorgenommen werden könnten,
ohne von dem breiten erfindungsgemäßen Konzept davon abzuweichen. Es
versteht sich deshalb, daß die
vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden
Erfindung, wie durch die beigefügten
Ansprüche
definiert, abdecken soll.