DE10120405A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Niedertemperatur-Plasmas - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung eines Niedertemperatur-PlasmasInfo
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Abstract
Beschrieben und dargestellt ist eine Vorrichtung (10) zur Erzeugung eines Niedertemperatur-Plasmas (24), umfassend eine hohle Anode (11), die eine im Wesentlichen geschlossene Vakuumkammer (12) definiert, innerhalb welcher wenigstens eine Kathodenanordnung (27) vorgesehen ist, welche einen Prozessraum (28) zumindest teilweise begrenzt. Die Besonderheit besteht darin, dass die Kathodenanordnung (27) eine Vielzahl von zu dem Prozessraum (28) hin offenen, taschenartigen Kammern, 36, 40a, 40b, 40c) umfasst, die eine Vielzahl von Einzel-Hohlkathoden bilden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Nie
dertemperatur-Plasmas gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines großvolumigen Niedertemperatur-Plasmas.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist
bekannt jedoch druckschriftlich nicht belegbar. Der besseren Verständ
lichkeit halber wurde sie als Fig. 1 skizziert. Hier ist eine hohle Anode
vorgesehen, die eine im wesentlichen geschlossene Vakuumkammer
ausbildet, innerhalb derer sich eine Kathode befindet. Die Kathode ist
ebenfalls hohl ausgebildet und umgibt einen Prozeßraum.
Als hohle Anode wird hierbei ein hohles, kreiszylindrisches Element
bezeichnet, welches die Wand der Vakuumkammer ausbildet. Die Vaku
umkammerwand ist dabei als Anode geschaltet und geerdet. Es handelt
sich bei der hohlen Anode jedoch nicht um eine Hohlanode im Sinne der
Gasentladungsphysik.
Die bekannte Vorrichtung arbeitet mit kapazitiv gekoppelten Nie
derdruck-Glimmentladungen, die mit Hochfrequenz angeregt werden.
Glimm-Entladungen spielen eine wichtige Rolle im Bereich der
Halbleiter-Herstellung, der Plasmasterilisation und der Behandlung von
Kunststoffen und Metallen, wobei insbesondere auch auf die Reinigung
von Oberflächen und eine Verbesserung von Oberflächeneigenschaften,
wie Adhäsion, Benetzbarkeit, Verklebbarkeit und Reibungs- bzw. Ver
schleißschutz hingewiesen wird.
Mit dieser bekannt gewordenen Vorrichtung ist bereits versucht
worden, großvolumige homogene Plasmen zu erzeugen. Das in dem Pro
zeßraum erzeugte Plasma zeigt jedoch eine ungleichmäßige Verteilung
der Plasmadichte. Die Plasmadichte im Zentrum der Vakuumkammer ist
wesentlich geringer als in der Nähe der Kathode. Daraus ergibt sich - mit
zunehmendem Volumen - eine inhomogene und unzureichende Modifika
tion der Oberflächeneigenschaften bzw. eine unverhältnismäßig lange
Behandlungszeit, um die niedrige Plasmadichte im Zentrum der Kammer
auszugleichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von dem
eingangs erwähnten Stand der Technik eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines Niedertemperatur-Plasmas zu schaffen, welche ein großvolumiges
homogenes Plasma, insbesondere gleichmäßiger Plasmadichte, bereit
stellt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspru
ches 1, und ist demnach dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenan
ordnung eine Vielzahl von zu dem Prozeßraum hin offenen, taschenarti
gen Kammern umfasst, die eine Vielzahl von Einzel-Hohlkathoden bilden.
Das Prinzip der Erfindung besteht somit im wesentlichen darin,
innerhalb der Vakuumkammer eine Vielzahl von Einzel-Hohlkathoden
vorzusehen. Die Einzel-Hohlkathoden begrenzen dabei einen großvolu
migen Prozeßraum zumindest teilweise.
Erfindungsgemäß wird die Erzeugung eines großvolumigen Nie
dertemperatur-Plasmas auf der Basis von Hohlkathoden-Hochfrequenz-
Entladungen möglich. Als Niedertemperatur-Plasma wird in diesem
Zusammenhang ein Plasma bezeichnet, bei dem das Arbeitsgas, das
sogenannte Neutralgas, eine Temperatur etwa im Bereich der Temperatur
der Vakuumkammerwand aufweist.
Die eingangs erwähnte Vorrichtung des Standes der Technik
arbeitet nicht mit Hohlkathoden-Entladungen, sondern mit kapazitiv
gekoppelten Niederdruck-Glimmentladungen. Zwar wird auch erfindungs
gemäß ein kapazitiv gekoppeltes Plasma verwendet, allerdings entsteht
hier erst durch die gewählte Geometrie ein Hohlkathodeneffekt, der beim
Stand der Technik nicht entstand. Eine Hohlkathode war dort nicht vorge
sehen.
Erfindungsgemäß ist der Prozeßraum der Vorrichtung großvolumig.
Als großvolumiger Prozeßraum wird dabei insbesondere ein Prozeßraum
bezeichnet, der ein Volumen von mehr als 50 l bis zu einigen hundert
Litern aufweist, grundsätzlich aber auch bis zu über 1000 l aufweisen
kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Prozeßräume mit
einem Volumen bis über 1000 l möglich, die ein homogenes, gleichmäßig
dichtes Plasma erzeugen können.
Die Vakuumkammer ist insbesondere geerdet und bis auf eine Öff
nung zum Anschluß einer Vakuumpumpe, eine Öffnung zum Einlaß einer
Arbeitsgases und eine Öffnung zur Zuleitung von hochfrequenter Leistung
vollständig geschlossen. Andere Zuführungen, wie z. B. Drucksensoren,
sind ebenso möglich. Während des Betriebs befindet sich die Vakuum
kammer und damit auch der Prozeßraum unter Vakuum.
Die Kathodenanordnung befindet sich innerhalb der Vakuumkam
mer, so daß die hohle Anode die Kathodenanordnung im wesentlichen
umgibt. Die Kathodenanordnung begrenzt dabei zumindest teilweise den
Prozeßraum. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, daß der Prozeßraum
von der Kathodenanordnung nur teilweise begrenzt wird und im übrigen
von der Anode begrenzt wird. Als Anode, insbesondere als hohle Anode,
wird wiederum die geerdete Wand der Vakuumkammer bezeichnet.
Die taschenartigen Kammern sind jeweils mit ihrer offenen Seite
zum Prozeßraum hin gerichtet. Die Form der taschenartigen Kammer ist
dabei zunächst beliebig. So kann die Kammer beispielsweise muldenartig
ausgebildet sein und eine gekrümmte Innenfläche, grundsätzlich aber
auch zwei ebene unter einem Winkel zueinander stehende Flächen
umfassen. Insbesondere können die Kammern auch profilartig langge
streckt ausgebildet sein, so daß sie halbzylindrische Räume bilden.
Hohlkathodenentladungen stellen eine spezielle Form von Gasent
ladungen dar, die unabhängig von der Anregungsart Plasmen mit hoher
Elektronendichte erzeugen. Die Erhöhung der Elektronendichte durch den
Hohlkathodeneffekt wird verursacht durch eine gegenseitige Durchdrin
gung des negativen Glimmlichts, welches von verschiedenen Teilen der
Teilen der Kathode ausgeht. Hieraus resultiert eine Pendelbewegung der
Elektronen im elektrischen Feld. Von Gleichstrom-Hohlkathodenentladun
gen wird schon sehr früh berichtet, beispielsweise im Aufsatz von
Günther-Schulze, Zeitschrift für Physik 30, Seite 175-186 (1924). Im Auf
satz von Little und von Engel, Proc. Roy. Soc. 224, Seite 209-227 (1954)
wird erstmals eine Theorie für Gleichstrom-Hohlkathodenentladungen
entwickelt. Der Aufsatz von Pillow, Spectrochemica Acta 36 B, Seite 821-
843 (1981) gibt einen Überblick über die diversen physikalischen Eigen
schaften von Gleichstrom-Hohlkathodenentladungen.
Gleichstromentladungen sind nicht für Prozesse geeignet, bei denen sich
ein Isolator zwischen den Elektroden befindet oder bei denen eine isolie
rende Schicht auf einem Substrat, das als Elektrode dient, deponiert wird.
In einem Aufsatz von Horwitz in Appl. Phys. Lett. 43 (10), Seite 977-979
(1983) wird erstmals von Hohlkathodenentladungen berichtet, die mit
hochfrequenter Leistung betrieben werden. Mit der dort beschriebenen
Vorrichtung werden Ätzprozesse in einem kleinen Volumen von ca. 5 Liter
durchgeführt.
Als Faustregel für das Auftreten des Hohlkathodeneffektes gilt p × d
= 1 mbar × cm, wobei p der Gasdruck und d der Abstand oder Durchmes
ser der Hohlkathode ist. Um den Druckbereich zu vergrößern, in dem der
Hohlkathodeneffekt auftritt, beschreiben Fukuda et al. in einem Aufsatz in
Jpn. J. Appl. Phys 35, Seite L 729-730, (1996) eine Hohlkathodengeo
metrie spezieller Art. Die Hohlkathode hat hierbei ein spitz zulaufendes, V-
förmiges Profil. Dieses Profil bewirkt, daß - je nach Gasdruck - das nega
tive Glimmlicht der Hohlkathodenentladung sich mehr oder weniger tief in
das V-Profil zurückzieht. Fukuda et al. verwendeten nur ein einziges V-
förmiges Profil der Länge 10 cm, das Plasmavolumen beträgt ca. 1 bis 2
Liter.
Weitere Vorrichtungen zur Erzeugung von geringvolumigen Plas
men sind ebenfalls bekannt und beispielsweise in der DE 197 22 624
beschrieben. Hier werden Niedertemperatur-Plasmajets erzeugt, die aus
einer Hohlkathodenkammer extrahiert werden. Die Hohlkathode und die
Anode weisen hier einander gegenüberliegende Öffnungen auf, durch die
die Plasmajets von der Hohlkathodenkammer in einen Prozeßraum gelan
gen. Derartige Vorrichtungen sind zwar zur Erzeugung von großflächigen,
nicht aber zur Erzeugung von großvolumigen Plasmen geeignet. Insbe
sondere wird hier der Prozeßraum nicht zumindest teilweise von einer
Kathodenanordnung begrenzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zumin
dest einige taschenartige Kammern nahe der inneren Wandflächen der
Anode angeordnet. Dies bietet den Vorteil, den Prozeßraum nahezu so
groß wie die Vakuumkammer gestalten zu können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind mehrere taschenartige Kammern entlang einer Ebene angeordnet.
Dies bietet die Möglichkeit mehrere Kammern einem einzigen Konstrukti
onselement, beispielsweise an einer zusammenhängenden Elektrode,
auch z. B. an einem gemeinsamen Elektrodenblech, vorzusehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind die taschenartigen Kammern entlang unterschiedlicher Ebenen
angeordnet. Dies bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl von taschenartigen
Kammern, beispielsweise durch Anordnung mehrerer, die Kathodenan
ordnung ausbildender Elektrodenbleche vorzusehen, wobei die Elektro
denbleche in nebeneinander liegender, oder übereinander liegender
Anordnung vorgesehen sind. Dies bietet hinsichtlich der Konstruktion der
Kathodenanordnung sowie der Plasmahomogenität erhebliche Vorteile.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Kathodenanordnung von mindestens einem gefalteten oder gewellten
Elektrodenblech gebildet, welches die taschenartigen Kammern aufweist.
Diese Ausbildung bietet den Vorteil einer besonders einfachen Konstruk
tion der taschenartigen Kammern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
der Prozeßraum von der Kathodenanordnung in mehrere Sub-Prozeß
räume unterteilt. Auf diese Weise wird ein besonders großvolumiger Prozeßraum
möglich, der mehrere kleinere Sub-Prozeßräume umfaßt. In der
artige Sub-Prozeßräume können beispielsweise mehrere, unterschiedliche
Transportkörbe eines Transportwagens eingebracht werden, so daß eine
besonders einfache Konstruktion eines Transportwagens zur Einbringung
von zu bearbeitenden Gütern auf einfache Weise möglich wird und eine
besonders einfache Elektrodenkonfiguration für einen großvolumigen Pro
zeßraum möglich wird. Das Vorsehen von Sub-Prozeßräumen erhöht
außerdem die Gleichmäßigkeit der Plasmaausbildung bzw. der Plasma
dichte.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist wenigstens eine taschenartige Kammer mit ihrer offenen Seite zu
einem ersten Sub-Prozeßraum hin gerichtet und wenigstens eine weitere
taschenartige Kammer mit ihrer offenen Seite zu einem zweiten Sub-Pro
zeßraum hin gerichtet. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders vor
teilhafte Kathodenkonfiguration, da mehrere kammerartige Taschen, die
zu unterschiedlichen Sub-Prozeßräumen hin gerichtet sind, gemeinsam
beispielsweise an einem einzigen Elektrodenblech angeordnet sein kön
nen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind jeweils zwei benachbarte taschenartige Kammern unter Ausbildung
einer im wesentlichen W-förmigen Struktur miteinander verbunden. Dies
bietet auf besonders einfache Weise die Möglichkeit, taschenartige Kam
mern für nebeneinander liegende Sub-Prozeßräume vorzusehen, welche
durch lediglich ein Elektrodenblech, welches diese taschenartigen Kam
mern trägt, voneinander getrennt sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind eine erste und eine zweite taschenartige Kammer nebeneinander
derart angeordnet, daß sie zwischen sich eine dritte, entgegengesetzt
gerichtete Kammer ausbilden. Dies bietet die Möglichkeit, eine kompakte
Anordnung von taschenartigen Kammern vorzusehen, die sich unterschiedlichen
Sub-Prozeßräumen hinwenden und die zugleich auf kon
struktiv sehr einfache Weise erzeugbar sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
die Vakuumkammer mittels einer Tür, welche Zugang zu dem Prozeßraum
bietet, verschließbar. Diese bietet die Möglichkeit auf einfache Weise zu
behandelnde Werkstücke in die Vakuumkammer einzubringen und wäh
rend des Betriebs der Vorrichtung innerhalb der Vakuumkammer aufzu
bewahren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
innerhalb des Prozeßraums ein Transportwagen anordenbar. Dies bietet
die Möglichkeit, ein oder mehrere Werkstücke auf einfache Weise in rol
lendem Transport in die Vakuumkammer einzubringen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Transportwagen im Prozeßraum geerdet angeordnet, insbesondere elek
trisch mit der Anode verbunden. Dies bietet die Möglichkeit, auf besonders
einfache Weise in einem verhältnismäßig großen Prozeßraum eine
Unterteilung dieses Prozeßraumes in Sub-Prozeßräume dadurch zu
begünstigen, daß der Transportwagen selbst Anodenflächen auf Grund
seiner elektrischen Verbindung mit der Anode zur Verfügung stellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
erfolgt die Erdung des Transportwagens über einen Kontakt der Rollen
des Transportwagens mit der Anode. Diese Ausgestaltung bietet eine
denkbar einfache elektrische Verbindung des Transportwagens mit der
Anode, deren Bodenfläche mit den Rollen des Transportwagens in Kon
takt gerät. Alternativ kann der elektrische Kontakt auch über einen Schleif
kontakt zwischen Transportwagen und Bodenfläche stattfinden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Transportwagen im Prozeßraum elektrisch von der Anode isoliert angeordnet.
Dies bietet die Möglichkeit, in den Prozeßraum auch solche
Transportwagen bzw. zu bearbeitende Werkstücke einzubringen, die nicht
elektrisch leitend sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
umfaßt der Transportwagen mehrere Transportkörbe. Dies bietet die Mög
lichkeit, mit einem einzigen Transportwagen eine Vielzahl von zu bear
beitenden Werkstücken zugleich in die Vakuumkammer einzubringen und
gleichzeitig dort zu bearbeiten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
entspricht die Anordnung der Transportkörbe einer Anordnung von Sub-
Prozeßräumen. Diese Ausgestaltung bietet eine optimale Raumausnut
zung des Prozeßraums sowie eine besonders gleichmäßige Plasma
dichte.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist die taschenartige Kammer im Querschnitt im wesentlichen
dreieckförmig ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, daß die taschenartige
Kammer auf besonders einfache Weise konstruiert werden kann, bei
spielsweise indem zwei Schenkelflächen unter einem Winkel zueinander
stehend angeordnet werden. Die beiden Schenkelflächen können dabei
beispielsweise durch Faltung von flachliegenden Blechen gebildet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
liegt die Schenkellänge eines Dreiecks zwischen 0,5 und 30 cm. Diese
Ausbildung ermöglicht eine besonders optimale Ausnutzung eines Hohl
kathodeneffektes. Andere Schenkellängen sind im Prinzip auch möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weisen die taschenartigen Kammern Perforationen auf. Dies bietet die
Möglichkeit, daß durch die Perforationen hindurch ein Ladungsträgeraus
tausch zwischen unterschiedlichen Sub-Prozeßräumen stattfinden kann.
Außerdem sind gelochte Elektrodenbleche mechanisch auf besonders
einfache Weise zu falten. Perforationen bieten darüber hinaus den Vorteil
einer gleichmäßigeren Ausbreitung des Neutralgases und des Plasmas im
Prozeßraum.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind die taschenartigen Kammern zylindrisch langgestreckt ausgebildet.
Es kann sich hierbei beispielsweise um eine offene, halbzylindrische
Anordnung mit kreisförmigen Querschnitt, grundsätzlich aber auch mit
dreieckförmigen Querschnitt handeln. Diese Ausbildung ermöglicht einen
besonders großvolumigen Prozeßraum und damit ein besonders großvo
lumiges Plasma.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
die Länge der taschenartigen Kammer nur geringfügig kürzer als die
Länge der Vakuumkammer. Auch dies ermöglicht einen besonders großen
Prozeßraum, der nahezu dem Volumen der Vakuumkammer entsprechen
kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind die taschenartigen Kammern durch besondere Halterungen elektrisch
isoliert von der Anode an der Anode befestigt. Diese Ausbildung bietet
insbesondere die Möglichkeit einer besonders einfachen Konstruktion
derart, daß Befestigungsmittel nach Art von Haltestangen an der Anode
elektrisch isoliert angeordnet sind. Auf diesen Halterungen nach Art von
Haltestangen können die Elektrodenbleche, die die taschenartigen Kam
mern aufweisen, aufliegen oder auf besondere Weise befestigt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird von einem Hochfrequenz-Generator Hochfrequenz-Leistung über
Koaxial-Leitungen an die taschenartigen Kammern geleitet. Dies bietet die
Möglichkeit, daß auf herkömmliche Komponenten zur Leitung der Hoch
frequenzleistung zurückgegriffen werden kann. Im einfachsten Falle kann
dabei ein Elektrodenblech, welches die taschenartigen Kammern vorsieht,
mit einer Koaxial-Leitung verbunden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind innerhalb der Vakuumkammer Koaxial-Leitungen, insbesondere 50-
Ohm-Koaxial-Leitungen, zur Leitung der Hochfrequenzleistung in die
taschenartigen Kammern angeordnet. Dies bietet die Möglichkeit, daß
auch zur Leitung der Hochfrequenz-Leistung innerhalb der Vakuumkam
mer auf herkömmliche Komponenten zurückgegriffen werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
das Plasma gepulst. Dies bedeutet, daß die Amplitude der Hochfrequenz,
die den taschenartigen Kammern über Koaxial-Leitungen zugeführt wird
und etwa im Bereich von 13,56 MHz auf Grund postalischer Beschrän
kungen liegt, selbst moduliert ist. Dies bietet den Vorteil einer besonders
effektiven Plasmaerzeugung. Andere Frequenzen zwischen 10 KHz und
100 MHz sind möglich.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den nicht zitierten Unteransprü
chen sowie an Hand der nun folgenden Beschreibung von in den Zeich
nungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung des Standes der Technik,
Fig. 2 in schematischer, teilgeschnittener Ansicht ein erstes Ausfüh
rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem
darin eingebrachten Transportwagen,
Fig. 3 schematisch eine teilgeschnittene Ansicht der Vorrichtung etwa
gemäß Schnittlinie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 schematisch einen Teilbereich eines Prozeßraums mit Kathode
und einem Teilbereich der Anode,
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kathode in Sinusform,
Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kathode mit im wesentli
chen rechteckförmigen, kammerartigen Taschen, die zu unter
schiedlichen Sub-Prozeßräumen hingerichtet sind, und
Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kathode mit im Querschnitt
rechteckigförmigen kammerartigen Taschen, die zu einem Pro
zeßraum hingerichtet sind.
Gleiche bzw. vergleichbare Elemente oder Teile werden in der nun
folgenden Beschreibung mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 20 des Standes der Technik. Hier ist
bereits ein kreiszylindrischer Hohlkörper 21 vorgesehen, der eine kreiszy
lindrische Vakuumkammer 22 definiert. Der Hohlkörper 21 ist als geerdete
Anode 21 geschaltet und wird nachfolgend auch durchgängig als Anode
21 bezeichnet. Innerhalb der Vakuumkammer ist eine kreiszylindrische
Kathodenanordnung 23 vorgesehen. Innerhalb der Vakuumkammer 22
bildet sich ein Plasma 24 aus, welches nur für kleinvolumige Plasmen aus
reichende Bearbeitungsergebnisse liefert und insbesondere keine groß
volumigen, homogenen Plasmen gleichmäßiger Plasmadichte erzeugen
kann.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10. Hier ist eine im
Querschnitt im wesentlichen quadratische Anode 11 vorgesehen, die bei
spielsweise kubisch, grundsätzlich aber auch zylindrisch ausgebildet sein
kann. Die Anode 11 ist, wie sich insbesondere aus Fig. 2 ergibt, geerdet.
Die Anode 11 umgibt einen im wesentlichen geschlossenen Innenraum
12, der die Vakuumkammer darstellt. Die Anode 11 weist eine erste Öff
nung 13 auf, durch die ein Arbeitsgas 14, gesteuert über ein Drosselventil
15 in die Vakuumkammer 12 gelangt.
Als Arbeitsgas, oder sogenanntes Neutralgas kommen je nach
Anwendungszweck zum Beispiel Argon, Helium, Sauerstoff, Stickstoff,
Wasserstoff, Wasserstoffperoxid wie auch Mischungen dieser Gase in
Betracht. Andere Gase oder Gasmischungen sind möglich.
Die Anode 11 weist eine zweite Öffnung 16 auf, durch die hindurch
Hochfrequenzleistung in die Vakuumkammer 12 eingeleitet wird. Die
Hochfrequenzleistung wird in einem HF-Generator 17 erzeugt und über
ein Abstimmnetzwerk 18 zu einer Vakuum-Stromdurchführung 19 geleitet.
In der bevorzugten Ausführungsform befinden sich der Hochfre
quenzgenerator 17 und das Abstimmnetzwerk 18 außerhalb der Vakuum
kammer 12. Das Anpassnetzwerk 18 ist dabei so ausgelegt, daß eine
Minimierung der reflektierten Leistung erfolgt.
Eine Besonderheit besteht hier darin, daß Koaxial-Leitungen 25
nicht nur zwischen dem HF-Generator 17 und dem Abstimmnetzwerk 18
bzw. zwischen dem Abstimmnetzwerk 18 und der Vakuumstromdurchfüh
rung 19 angeordnet sind, sondern, wie sich insbesondere aus Fig. 2
ergibt, auch innerhalb der Vakuumkammer 12 verlaufen.
Der Hochfrequenzgenerator 17 kann eine Leistungsdichte in dem
Prozeßraum zwischen 0,01 und 100 W pro Liter erzeugen. Das Abstimm
netzwerk 18 ist in der Lage, die reflektierte Leistung auf weniger als 2%
der angekoppelten Leistung zu minimieren.
Die eingeleitete Hochfrequenzleistung wird über 50-Ohm-Koaxial-
Leitungen 25 innerhalb der Vakuumkammer 12 an die Elektrodenbleche
27 gleichmäßig verteilt.
Die zur Plasmaerzeugung benötigte Energie wird durch den Hoch
frequenzgenerator 17 in einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 MHz
bereitgestellt. Auf Grund postalischer Einschränkungen verwendet man in
der Regel eine Frequenz von 13,56 MHz. Die Anpassung der Hochfre
quenzleistung erfolgt mittels des Abstimmnetzwerkes 18.
Eine dritte Öffnung 26 stellt einen Gasauslaß dar, der mit einer
nicht dargestellten, bezüglich Fig. 2 im Gasstrom links angeordneten
Vakuumpumpe verbunden ist. Der Strom des Arbeitsgases erfolgt somit
im wesentlichen entlang der Pfeile P1 und P2. Die nicht dargestellte
Vakuumpumpe sowie ein Drosselventil 15 dienen der Regelung des typi
scherweise bis zu 10 mbar betragenden Gasdrucks.
Innerhalb der Vakuumkammer 12 sind bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 sechs Elektrodenbleche 27 angeordnet, die gemeinsam die
Kathodenanordnung ausbilden. Jedes Elektrodenblech 27 weist einen, wie
sich insbesondere aus Fig. 3 ergibt, im wesentlichen rechteckigen Quer
schnitt mit einer Schmalseite a und einer Breitseite b auf.
Wie sich aus Fig. 2 ergibt, sind die sechs im wesentlichen identi
schen Elektrodenbleche 27 übereinanderliegend angeordnet, so daß sich
der Prozeßraum 28, der gemäß Fig. 2 im wesentlichen von der Innenflä
che F der Anode 11 begrenzt wird, in vier Sub-Prozeßräume 29a, 29b,
29c, 29d unterteilt.
Innerhalb der Vakuumkammer 12 ist ein Transportwagen 30 ange
ordnet, der eine horizontale Bodenplatte 31 umfaßt, die über Rollen 32 auf
der Bodenfläche 33 der Anode 11 gelagert ist. Von der Bodenplatte 31
erstreckt sich ein Träger 34 im wesentlichen vertikal nach oben. An dem
Trägerelement 34 sind vier Transportkörbe 35a, 35b, 35c, 35d befestigt.
Die durch Plasmaerzeugung zu behandelnden Werkstücke, die bei
spielsweise gereinigt, sterilisiert oder oberflächenbehandelt werden sollen,
befinden sich in den Transportkörben 35a, 35b, 35c, 35d des Transportwagen
30. Der Transportwagen 30 wird außerhalb der Vakuumkammer 12
be- und entladen.
Die Transportkörbe 35a, 35b, 35c, 35d ragen bei in der Vakuum
kammer 12 befindlichem Transportwagen 30 in die entsprechenden Sub-
Prozeßräume 29a, 29b, 29c, 29d hinein.
Die Elektrodenbleche 27 weisen jeweils eine Vielzahl taschenarti
ger Kammern 36 auf. Jede taschenartige Kammer 36 bildet erfindungs
gemäß eine Einzel-Hohlkathode aus, innerhalb der ein Hohlkathodeneffekt
stattfinden kann. Die besondere Ausbildung der Kammern 36 sowie die
physikalischen Prozesse werden später an Hand der Fig. 4 und 7
beschrieben.
Zunächst sei an Hand der Fig. 3 noch die Befestigung der Elektro
denbleche 27 erläutert. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, sind Halterungen 37
vorgesehen, die über Isolationsstücke 38 an der Anode 11 befestigt sind.
Die beispielsweise aus Metall bestehenden Halterungen 37 können somit
von der Anode 11 elektrisch isoliert angeordnet werden.
Die Halterung 37 kann gemäß Fig. 3 so angeordnet werden, daß
diese mit ihrer Länge c im wesentlichen der Länge der Schmalseite a ent
spricht. Die Elektrodenbleche 27 können auf diese Weise mit ihren beiden
Enden auf den Halterungen 37 beidendig gelagert sein, so daß eine sta
bile Anordnung möglich wird.
Aus Fig. 3 wird auch deutlich, daß die Länge l der Vakuumkammer
12 nur unwesentlich größer ist als die Länge b der Kathodenanordnung
27.
Wie sich aus Fig. 3 darüber hinaus ergibt, können die Elektroden
bleche 27 Perforationen 39 aufweisen. Auf die Bedeutung der Perforationen
soll bei der nun folgenden Beschreibung der taschenartigen Kammern
ebenfalls eingegangen werden.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnittsbereich eines Elektrodenbleches 27
und eines Eckbereichs einer Anode 11. An dem Elektrodenblech 27 liegt
hoch-frequente Leistung, die von dem Hochfrequenz-Generator 17
erzeugt wird, an. Es sei darauf hingewiesen, daß die Darstellung gemäß
Fig. 4 stark schematisiert ist.
Das Elektrodenblech 27 ist derart geformt, daß eine Vielzahl von
taschenartigen Kammern 36 nebeneinander liegt. Das Elektrodenblech 27
wurde dabei durch mehrfaches Falten in eine Form überführt, in der es
einen sägezahnartigen Querschnitt aufweist. Dies bietet den Vorteil, daß
eine erste taschenartige Kammer 40a durch nebeneinanderliegende
Anordnung mit einer zweiten Kammer 40b einen gemäß Fig. 4 M-förmigen
Querschnitt aufweist. Bei umgekehrter Betrachtungsweise ergibt sich ein
im wesentlichen W-förmiger Querschnitt.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß zwischen den beiden
taschenartigen Kammern 40a und 40b eine dritte, beim Ausführungsbei
spiel im wesentlichen gleich dimensionierte taschenartige Kammer 40c
entsteht.
Auf diese Weise können zwei Sub-Prozeßräume 29a und 29d wie
folgt beeinflußt werden:
Gemäß Fig. 4 ist in der zweiten taschenartigen Kammer 40b sche matisch die Bewegungsbahn eines Elektrons gemäß Pfeilbahn 41 darge stellt. Eine derartige Bahn wird verständlich durch eine physikalische Beschreibung einer taschenartigen Anordnung 40b durch einen Potenti altopf, wobei die beiden Schenkel 42a, 42b der taschenartigen Kammern unendlich hohe Potentialtopfwände darstellen, an denen das Elektron reflektiert wird. Auf Grund der dargestellten Wellenbewegung des Elektrons im elektrischen Feld der Hohlkathode ist der Weg des Elektrons wesentlich länger als bei bekannten, konventionellen planaren Elektro dengeometrien. Daraus ergibt sich eine erhöhte Rate für Ionisations- und Anregungsstöße zwischen Elektronen und schweren Teilchen und somit eine höhere Plasmadichte bei gleicher angekoppelter Leistung.
Gemäß Fig. 4 ist in der zweiten taschenartigen Kammer 40b sche matisch die Bewegungsbahn eines Elektrons gemäß Pfeilbahn 41 darge stellt. Eine derartige Bahn wird verständlich durch eine physikalische Beschreibung einer taschenartigen Anordnung 40b durch einen Potenti altopf, wobei die beiden Schenkel 42a, 42b der taschenartigen Kammern unendlich hohe Potentialtopfwände darstellen, an denen das Elektron reflektiert wird. Auf Grund der dargestellten Wellenbewegung des Elektrons im elektrischen Feld der Hohlkathode ist der Weg des Elektrons wesentlich länger als bei bekannten, konventionellen planaren Elektro dengeometrien. Daraus ergibt sich eine erhöhte Rate für Ionisations- und Anregungsstöße zwischen Elektronen und schweren Teilchen und somit eine höhere Plasmadichte bei gleicher angekoppelter Leistung.
Perforationen 39, die in Fig. 3 lediglich angedeutet sind, ermögli
chen einen besonders vorteilhaften Ladungsträgeraustausch durch die
Elektrodenbleche 27 hindurch.
Die Anordnung von taschenartigen Kammern, die zu beiden Seiten
einer in Fig. 4 mit E bezeichneten Ebene hin gerichtet sind, bietet die
Möglichkeit, daß von dieser Mittelebene E weg zu beiden Seiten der Elek
trodenanordnung 27 hin mehrfach Elektronenstöße stattfinden können.
Die Länge Z der Schenkel der taschenartigen Kammern 36 wie
auch der Winkel α sind zunächst beliebig. Vorteilhafterweise liegt die
Schenkellänge Z etwa im Bereich zwischen 1 und 30 cm und der Winkel α
in einem Bereich von 30 bis 150°.
An Hand der Fig. 4 wird auch deutlich, daß jede taschenartige Kammer 36
bzw. 40a, 40b, 40c eine offene Seite (s. z. B. Position 46 der dritten
taschenartigen Kammer 40c) aufweist, die zu einem Prozeßraum, hier zu
dem Prozeßraum 29d hingerichtet ist.
Alternative Ausführungsformen der taschenartigen Kammern 36
bzw. eines derartig geformten Elektrodenbleches 27, welches die
taschenartigen Kammern 36 aufweist, sind in den Fig. 5 bis 7 dargestellt.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung von taschenartigen Kammern, die im wesent
lichen entlang einer Sinuskurve verlaufen. Dies bietet insbesondere die
Möglichkeit, ein Elektrodenblech auf einfache Weise zu Wellen, um die
taschenartigen Kammern zu erzeugen.
Bei einer Anordnung, wie sie die Fig. 4 oder die Fig. 5 zeigt, können die taschenartigen Kammern 36 durch Bearbeitung eines flachliegenden Bleches erzeugt werden. Vorteilhafterweise handelt es sich um ein Alumi niumblech. Es kommen grundsätzlich auch andere Metalle in Betracht.
Bei einer Anordnung, wie sie die Fig. 4 oder die Fig. 5 zeigt, können die taschenartigen Kammern 36 durch Bearbeitung eines flachliegenden Bleches erzeugt werden. Vorteilhafterweise handelt es sich um ein Alumi niumblech. Es kommen grundsätzlich auch andere Metalle in Betracht.
Fig. 6 zeigt eine alternative Anordnung von taschenartigen Kam
mern 36, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Hier sind von einem zentralen Mittelblech 43 lotrecht abgehend eine Viel
zahl von Vertikalblechen 44 befestigt. Auch diese Anordnung liefert zufrie
denstellende Ergebnisse.
Entscheidend bei der Ausführungsform der Kathodenanordnung 27 ist, daß eine alternierende, abwechselnde Abfolge von taschenartigen Kammern 36 vorgesehen ist, die zu unterschiedlichen Sub-Prozeßräumen 29a, 29d hin gerichtet sind.
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, daß die taschenartigen Kammern 36 lediglich durch Seitenwände angedeutet sind und der Kam merboden nicht vollständig geschlossen ist.
Entscheidend bei der Ausführungsform der Kathodenanordnung 27 ist, daß eine alternierende, abwechselnde Abfolge von taschenartigen Kammern 36 vorgesehen ist, die zu unterschiedlichen Sub-Prozeßräumen 29a, 29d hin gerichtet sind.
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, daß die taschenartigen Kammern 36 lediglich durch Seitenwände angedeutet sind und der Kam merboden nicht vollständig geschlossen ist.
Fig. 7 zeigt eine weitere Konfiguration einer Kathodenanordnung
27, die hier jedoch nicht als einzelnes Blech ausgeführt ist. Die taschenar
tigen Kammern 36 werden hier dadurch erzeugt, daß von einem Mittel
blech 43 nur zu einer Seite eines Prozeßraums 29a hin Vertikalbleche
abgehen und taschenartige Kammern 36 gebildet werden.
Eine Anordnung gemäß Fig. 7 kommt beispielsweise im Bereich der
Innenfläche F einer Anode 11 in Betracht, bei der der zur Verfügung ste
hende Raum 45 zwischen der Anode 11 und dem Mittelblech 43 zu gering
ist, als daß hier die Anordnung eines Prozeßraumes sinnvoll wäre.
Die in Fig. 2 dargestellte besondere Anordnung von Elektrodenble
chen 27 ist lediglich beispielhaft. Grundsätzlich kann eine Vielzahl weiterer
Sub-Prozeßräume 29 durch die Unterteilung eines großen Prozeßraumes
28 durch eine nahezu beliebige Anordnung der Kathoden 27 erreicht wer
den.
Das Vorsehen der taschenartigen Kammern 36, 40 ermöglicht das
Auftreten eines Hohlkathodeneffekts über einen sehr großen Druckbereich
zwischen 0,01 mbar bis zu mehreren mbar. Der Hohlkathodeneffekt tritt
dabei auf beiden Seiten der Kathodenanordnung 27 auf. Grundsätzlich
sind die Dimensionen der taschenartigen Kammern frei wählbar.
Für den Fall, daß wie Fig. 2 zeigt, der Transportwagen 30 elektrisch
leitend mit der Anode 11 verbunden ist, dient der elektrisch geerdete
Transportwagen 30 einschließlich seiner Körbe 35a, 35b, 35c, 35d ebenso
wie die geerdete Kammer als Anode.
Claims (28)
1. Vorrichtung (10) zur Erzeugung eines Niedertemperatur-
Plasmas (24), umfassend eine hohle Anode (11), die eine im wesentlichen
geschlossene Vakuumkammer (12) definiert, innerhalb welcher wenig
stens eine Kathodenanordnung (27) vorgesehen ist, welche einen Prozeß
raum (28) zumindest teilweise begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kathodenanordnung (27) eine Vielzahl von zu dem Prozeßraum (28, 28a,
28b, 28c, 28d) hin offenen, taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b, 40c)
umfasst, die eine Vielzahl von Einzel-Hohlkathoden bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest einige taschenartige Kammern (36, 40a, 40b, 40c) nahe der
inneren Wandflächen (F) der Anode (11) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere taschenartige Kammern (36, 40a,
40b, 40c) entlang einer Ebene (E) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b,
40c) entlang unterschiedlicher Ebenen (E) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ebenen (E) parallel zueinander angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung von mindestens
einem gefalteten oder gewellten Elektrodenblech (27) gebildet wird, wel
ches die taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b, 40c) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Prozeßraum (28) von der Kathodenanord
nung (27) in mehrere Sub-Prozeßräume (29a, 29b, 29c, 29d) unterteilt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine taschenartige Kammer (40c) mit ihrer offenen Seite (46)
zu einem ersten Sub-Prozeßraum (29d) hingerichtet ist und wenigstens
eine weitere taschenartige Kammer (40a, 40b) mit ihrer offenen Seite zu
einem zweiten Sub-Prozeßraum (29a) hingerichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte taschenartige
Kammern (40a, 40b) unter Ausbildung einer im wesentlichen W-förmigen
Struktur miteinander verbunden sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite taschenartige
Kammer (40a, 40b) nebeneinander derart angeordnet sind, daß sie zwi
schen sich eine dritte, entgegengesetzt gerichtete Kammer (40c) ausbil
den.
11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (12) mittels einer Tür,
die Zugang zu dem Prozeßraum (28) bietet, verschließbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Prozeßraums (28) ein Trans
portwagen (30) anordenbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transportwagen (30) im Prozeßraum (28) geerdet, insbesondere
mit der Anode elektrisch verbunden, angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Erdung des Transportwagens (30) über einen Kontakt der Rollen
(32) des Transportwagens (30) mit der Anode (11) oder über einen
Schleifkontakt erfolgt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transportwagen (30) im Prozeßraum (28) elektrisch von der
Anode (11) isoliert angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Transportwagen (30) mehrere Transportkörbe
(35a, 35b, 35c, 35d) umfaßt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung der Transportkörbe (35a, 35b, 35c, 35d) einer Anord
nung von Sub-Prozeßräumen (29a, 29b, 29c, 29d) entspricht.
18. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartige Kammer (36, 40a, 40b,
40c) im Querschnitt im wesentlichen dreieckförmig ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die taschenartige Kammer (36, 40a, 40b, 40c) von zwei Schenkelflä
chen (42a, 42b) gebildet ist, die unter einem Winkel (a) im Bereich zwi
schen 30 und 150° zueinander stehen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schenkellänge (Z) eines Dreiecks im Bereich
zwischen 0,5 und 30 cm liegt.
21. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b,
40c) Perforationen (39) aufweisen.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fläche der Perforationen (39) einen Anteil an der Gesamtfläche
der Wände (42a, 42b) der taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b, 40c)
von weniger als 80% besitzen.
23. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartigen Kammern zylindrisch
langgestreckt ausgebildet sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge (b) der taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b, 40c) nur
geringfügig kürzer ist als die Länge (L) der Vakuumkammer (12).
25. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b,
40c) über besondere Halterungen (37) elektrisch isoliert von der Anode
(11) an der Anode (11) befestigt sind.
26. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß von einer Hochfrequenzquelle (18), betrie
ben mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 MHz, Hochfrequenzlei
stung über Koaxial-Leitungen (25) an die taschenartigen Kammern (36,
40a, 40b, 40c) geleitet wird.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb der Vakuumkammer (12) Koaxial-Leitungen (25), insbeson
dere 50-Ohm-Koaxial-Leitungen (25) zur Leitung der Hochfrequenzleistung
an die taschenartigen Kammern (36, 40a, 40b, 40c) angeordnet
sind.
28. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (24) gepulst ist.
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