DE102006043900B4

DE102006043900B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Plasmaanlage

Info

Publication number: DE102006043900B4
Application number: DE200610043900
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Linzmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: DE102006043900A1

Abstract

Plasmaanlage (2), insbesondere Plasma-Beschichtungsvorrichtung, bei der ein Lichtbogen (3) und/oder ein Durchschlag zwischen mindestens einem Elektroden-Paar (4, 5) auftreten kann, umfassend eine elektrische Versorgungseinheit (1), mit
– wenigstens einem steuerbaren Schaltmittel (6), welches mindestens einen Schalteingang (7) aufweist,
– einer elektrischen Energiequelle (100), deren Ausgangsanschlüsse (A₊, A_–) über das Schaltmittel (6) mit den Elektroden (4, 5) der Plasmaanlage (2) verbunden sind, und
– einer Steuerschaltung (8) zum Erkennen des Auftretens des Lichtbogens (3) und/oder des Durchschlags, welche bei Auftreten des Lichtbogens (3) bzw. des Durchschlags über einen ersten Steuerausgang (9) das Schaltmittel (6) betätigt,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungseinheit (1) derart hergerichtet ist, dass bei und/oder nach Betätigen des Schaltmittels (6) ein Stromfluss (I) durch das Schaltmittel (6) erhalten bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmaanlage, insbesondere eine Plasma-Beschichtungsvorrichtung, bei der ein Lichtbogen und/oder ein Durchschlag zwischen mindestens einem Elektroden-Paar auftreten kann. Eine solche Plasma-Anlage weist in einer elektrischen Versorgungseinheit u. a. ein steuerbares Schaltmittel auf, welches mindestens einen Schalteingang aufweist, eine elektrische Energiequelle, deren Ausgangsanschlüsse über das Schaltmittel mit den Elektroden der Plasmaanlage verbunden sind, und eine Steuerschaltung zum Erkennen des Auftretens eines Lichtbogens und/oder eines Durchschlags, welche beim Auftreten eines Lichtbogens bzw. eines Durchschlags über einen ersten Steuerausgangs das Schaltmittel betätigt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Versorgungseinheit für eine erfindungsgemäße Plasmaanlage.
Plasmaanlagen, für die die elektrische Versorgungseinheit bestimmt ist, werden beispielsweise zum „Besputtern" oder Beschichten von beispielsweise CDs, DVDs, Computer-Festplatten, Fensterscheiben, Brillengläsern, Folien, elektronischen Bauteilen und Textilien eingesetzt. Derartige Anlagen oder Einheiten haben eine elektrische Leistung in der Größenordnung von einigen kW bis zu mehr als 100 kW. Die an die Elektroden angelegte Betriebsspannung liegt dabei typischerweise in der Größenordnung von 300 V bis 1000 V, insbesondere von 500 V. Selbstverständlich sind dabei Abweichungen nach oben und/oder unten möglich. In der Offenlegungsschrift DE 102 08 173 A1 ist beispielsweise eine solche elektrische Versorgungseinheit beschrieben.
Bei der Entwicklung von elektrischen Versorgungseinheiten oder „DC Plasma Power Supplies" stehen die Entwickler beispielsweise folgenden verschiedenen konkurrierenden Zielen gegenüber:

a) Reduzierung einer Ripple-Spannung am Ausgang der elektrischen Versorgungseinheit oder eines Schaltnetzteils, damit die für einen Beschichtungsprozess notwendige Spannung einen möglichst geringen Oberwellengehalt aufweist, welcher für eine exakte Messung der in den Prozess, insbesondere in den Plasma-Prozess, eingebrachten Energie vorteilhaft ist,
b) Reduzierung der Lichtbogen- und/oder Durchschlags-Energie, welche dem Fachmann auch als ARC-Energie bekannt ist, um beispielsweise Beschädigungen an den zu beschichtenden Oberflächen und/oder an den Elektroden zu vermeiden,
c) Bereitstellung großer Zündspannungen, damit beispielsweise auch oxidierte oder verschmutzte Elektroden sicher zünden.

DE 199 37 859 A1 beschreibt eine elektrische Versorgungseinheit mit einer Spannungs-Unterbrechungsschaltung, welche aber aufgrund von Spannungsinversionen zu unerwünschten Effekten, beispielsweise „Mousebites", führen kann.
In US 5,535,906 A und EP 1 195 793 A2 sind je eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, welche in einer aufwändigen Art und Weise die Häufigkeit von Lichtbögen unterdrücken.
DE 196 23 654 A1 beschreibt einen Lichtbogen-Steuer- und Umschaltelementschutz, welcher eine Umkehr-Vorspannung an die Elektroden anlegt.
In EP 0692 138 B1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, welche mit einer Umkehrspannung Lichtbögen vermeidet und unterdrückt, ohne den Plasmaprozess auszulöschen.
Bei den bekannten Verfahren oder Vorrichtungen ist es von Nachteil, dass entweder der Aufwand zur Unterdrückung und/oder Vermeidung von Lichtbögen immens hoch ist, oder dass die Energie des Lichtbogens nicht schnell genug abgebaut werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einfacher Weise Störungen und/oder Schäden durch eine zu hohe Lichtbogen- und/oder Durchschlagsenergie zu unterdrücken und gleichzeitig eine Beschichtungszeit zu verkürzen.
Diese Aufgabe wird bei einer Plasmaanlage, insbesondere bei einer Plasma-Beschichtungsvorrichtung, der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei und/oder nach Betätigen des Schaltmittels ein Stromfluss durch das Schaltmittel erhalten bleibt. Das Schaltmittel, welches vor dem Betätigen den Stromfluss, beispielsweise im Kathoden-Zweig, ungehindert passieren ließ, stellt nach Betätigen des Schaltmittels mit Vorteil eine Strombegrenzung dar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei Betätigen des Schaltmittels ein Widerstand des Schaltmittels auf einen Wert aus dem Bereich zwischen 1 Ω und 10 kΩ, insbesondere auf einen Wert zwischen 2 Ω und 200 Ω, eingstellt. Mit Vorteil ist ein Widerstands-Wertebereich des Schaltmittels einstellbar, so kann individuell auf verschiedene Ereignisse reagiert werden.
Zweckmäßig ist, dass nach Betätigen des Schaltmittels ein Spannungsabfall am Schaltmittel konstant ist. Durch die Mög lichkeit, am Schaltmittel einen konstanten Spannungsabfall einzuprägen, kann mit besonderem Vorteil auf eine Bezugsspannung zurückgegriffen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerschaltung über einen zweiten Steuerausgang für eine Unterbrechung des Energieflusses der elektrischen Energiequelle zu den Ausgangsanschlüssen hergerichtet. Vorteilhafterweise ist nach Auftreten des Lichtbogens die Energiezufuhr der elektrischen Energiequelle zu den Ausgangsanschlüssen unterbrochen, so dass der über den Lichtbogen fließende Strom sich über einen im Leerlauf betriebenen Wechselrichter abbauen kann.
Vorteilhaft ist, dass nach Betätigen des Schaltmittels der Stromfluss abnimmt. Ein abnehmender Strom kennzeichnet letztendlich eine abnehmende Energie.
Zweckmäßig ist, dass das Schaltmittel einen steuerbaren Leistungshalbleiter aufweist. Durch den Einsatz von abschaltbaren und/oder steuerbaren Leistungshalbleitern kann durch ein Steuersignal der Leistungshalbleiter abgeschaltet und/oder in einen definierten Bereich "gefahren" werden.
Vorzugsweise ist der steuerbare Leistungshalbleiter als FET-Transistor, insbesondere als MOS-FET-Transistor, ausgestaltet. Anstelle eines FET-Transistors kann auch ein IGBT, etc. verwendet werden. Der verwendete Halbleiter muss eine genügend hohe thermische Reserve besitzen, um eine gepulst auftretende Belastung aufnehmen zu können.
Eine weitere Steigung der Spannungskonstanz am Schaltmittel wird dadurch erreicht, dass das Schaltmittel eine Zener-Diode aufweist. Zener-Dioden gibt es für eine Vielzahl von Spannungen und Spannungsbereichen. Durch Wahl einer Zener-Diode mit einem bestimmten Spannungsbereich lässt sich das Schaltmittel individuell für jede Plasma-Anlagenkonfiguration einsetzen.
Zweckmäßig ist ferner, dass die Zener-Diode mit ihrer Kathode am Drain-Anschluss und mit ihrer Anode am Gate-Anschluss des FET-Transistors angeschlossen ist. Stellt sich am FET-Transistor aufgrund der Betätigung ein Spannungsabfall ein, so wird die Zener-Diode mit Vorteil im Durchbruch betrieben. Im Falle des IGBT's oder generell eines schaltbaren Leistungshalbleiters sind die bauteilspezifischen Anschlüsse selbstverständlich nach dem Wissen eines Fachmanns so zu verschalten, dass sich analoge Verhältnisse wie bei einem Betrieb mit einem FET-Transistor und dessen Drain-, Gate-, Source-Anschluss ergeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Schaltmittel einen Spannungsteiler-Widerstand auf. Durch einen Spannungsteiler-Widerstand im Kathodenstromkreis kann mit Vorteil Energie in Wärme umgewandelt werden. Eine abzubauende Energie teilt sich somit auf den Lichtbogen, den Spannungsteiler-Widerstand und auf den FET-Transistor auf.
Ist der Spannungsteiler-Widerstand zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET-Transistors angeschlossen, so erfüllt er neben der Energieumwandlung einen weiteren Vorteil, nämlich die Gate-Source-Spannung auf einem bestimmten Durchlassniveau zu halten.
Zweckmäßigerweise weist der Schalteingang eine Seriendiode und/oder einen Serienwiderstand auf. Damit der nach dem Betätigen des Schalteingangs über die Z-Diode fließende Strom nicht über den Schalteingang abfließen kann, sperrt die Diode diese Stromrichtung vorteilhafterweise.
Falls der FET-Transistor herkömmlich gesteuert wird, steht der Schalteingang mit dem Gate-Anschluss des FET-Transistors in Verbindung.
Bevorzugt ist das Schaltmittel derart in einer Reihenschaltung zwischen den Ausgangsanschlüssen und den Elektroden angeschlossen, dass der Drain-Anschluss des FET-Transistors mit einer Elektrode und der Source-Anschluss mit einem Ausgangsanschluss in Verbindung steht. Durch diese bevorzugte Anordnung liegt der FET-Transistor mit seinem Source-Anschluss und seinem Drain-Anschluss als Serienelement im Kathodenstromkreis und kann so über seine Drain-Source-Spannung die weiteren Komponenten des Schaltmittels günstig beeinflussen. Auch bei dem zuvor genannten Verschaltungsschema gilt: bauteilspezifische Anschlüsse sind selbstverständlich nach dem Wissen des Fachmanns so zu verschalten, dass sich analoge Verhältnisse wie bei einem Betrieb mit einem FET-Transistor und dessen Drain-, Gate-, Source-Anschluss ergeben Zweckmäßig ist, dass die Ausgangsanschlüsse über wenigstens eine Induktivität und über das Schaltmittel mit den Elektroden verbunden sind. Die Induktivität dient vorteilhafterweise als Filterelement.
Eine weitere Steigerung der Filterung wird dadurch erreicht, dass ein Kondensator parallel zu den Ausgangsanschlüssen und in Serie zu der Induktivität verschaltet ist.
Bei dem eingangs genannten Verfahren zum Betrieb der elektrischen Versorgungseinheit der Plasmaanlage wird nach Betätigen des Schaltmittels für ein bestimmtes Zeitintervall ein Stromfluss durch das Schaltmittel aufrechterhalten.
Zweckmäßig ist, dass ein Widerstand des Schaltmittels auf einen Wert aus dem Bereich zwischen 1 Ω und 10 kΩ, insbesondere auf einen Wert zwischen 2 Ω und 200 Ω, eingestellt wird.
Vorzugsweise wird die Plasmaanlage derart betrieben, dass das Zeitintervall im Bereich von 1 μs bis 120 μs liegt.
Weiterhin ist zweckmäßig, dass bei Auftreten des Lichtbogens die Steuerschaltung über einen zweiten Steuerausgang den Energiefluss der elektrischen Energiequelle zu den Ausgangsanschlüssen unterbricht. Wenn die Energiezufuhr gänzlich unterbrochen ist, kann die Energie des Lichtbogens schnell ab gebaut werden. Vorzugsweise geschieht die Ansteuerung der beiden Steuerausgänge simultan oder quasisimultan innerhalb von wenigen Mikrosekunden.
In weiterer Ausgestaltung wird ein Ausgangsgleichrichter der elektrischen Energiequelle im Freilauf betrieben. Abgesehen von den Durchlassspannungen der Freilaufdioden kann dieser Freilauf näherungsweise als direkte Verbindung zwischen den Ausgangsanschlüssen angesehen werden.
Mit Vorteil wird ein Spannungsabfall am Schaltmittel als konstant eingeprägt. Durch einen konstanten Spannungsabfall wird vorzugsweise eine Bezugsspannung für weitere Verfahrensschritte geschaffen.
Um einen effizienten Energieabbau zu erzielen, wird ein Arbeitspunkt am Schaltmittel eingestellt. Vorzugsweise können eine Anzahl von Arbeitspunkten für verschiedene Schalt- oder Betätigungsarten vergeben werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrische Versorgungseinheit derart betrieben, dass nach Betätigen des Schaltmittels eine in der Induktivität gespeicherte Energie den Stromfluss über die Elektroden aufrechterhält und diskontinuierliche Verläufe von Strom und/oder Spannung zwischen den Elektroden vermieden werden.
Eine weitere Optimierung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass der FET-Transistor an seinem Gate-Anschluss über die Serien-Diode mittels des ersten Steuerausgangs mit einer Schaltspannung angesteuert wird und beim Betätigen des Schaltmittels die Schaltspannung derart eingestellt wird, dass der FET-Transistor in den Sperrbetrieb wechselt, wobei zeitgleich die zwischen dem Drain-Anschluss und dem Gate-Anschluss, geschaltete Zener-Diode im Durchbruch betrieben wird und sich eine konstante Spannung an der Zener-Diode einstellt, wobei der über die Zener-Diode fließende Z-Dioden-Strom über dem zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source- Anschluss verschalteten Spannungsteiler-Widerstand eine Gate-Source-Spannung verursacht, welche ein vollständiges Sperren des Transistors verhindert.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale wurden schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigt die
1 eine Plasmaanlage mit einer elektrischen Versorgungseinheit,
2 ein Schaltelement im Detail für einen „nicht betätigten" Fall,
3 das Schaltelement im Detail für einen „betätigten" Fall und
4 Spannungs- und Stromverläufe.
1 zeigt eine elektrische Versorgungseinheit 1 für eine Plasmaanlage 2. Die elektrische Versorgungseinheit 1 ist mit ihren Ausgangsanschlüssen A₊ und A_– mit der Plasmaanlage 2 verbunden. Der Ausgangsanschluss A_– ist über eine Induktivität L und ein Schaltmittel 6 mit einer Kathodenelektrode 5 der Plasmaanlage 2 verbunden. Die Anodenelektrode 4 der Plasmaanlage 2 ist direkt mit dem Ausgangsanschluss A₊ der Energiequelle 100 verbunden. In diesem Beispiel ist die Energiequelle 100 als Schaltnetzteil speziell für Beschichtungsanlagen, wie es in der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 08 173 A1 beschrieben ist, ausgeführt. Die elektrische Versorgungseinheit 1 weist weiterhin eine Steuerschaltung 8 auf. Die Steuerschaltung 8 ist für die Erfüllung von drei Hauptaufgaben hergerichtet:

1. Betätigen des Schaltmittels 6.
2. Erfassen des Stromes I und der Spannung U über eine Strommesseinrichtung 15 und eine Spannungsmesseinrichtung 16.
3. Steuern des Schaltnetzteils 100.

Mittels zweier Messeingänge nimmt die Steuerschaltung 8 die Strom- und Spannungswerte I, U der Messeinrichtungen 15 und 16 entgegen und überwacht diese auf ein Eintreten eines Lichtbogens 3. Wenn ein solcher detektiert ist, wird über einen ersten Steuerausgang 9 der Steuerschaltung 8 das Schaltmittel 6 über den Schalteingang 7 des Schaltmittels 6 betätigt. Über einen zweiten Steuerausgang 10 der Steuerschaltung 8 kann das Schaltnetzteil 100 in einen Leerlaufbetrieb versetzt werden. D. h. ein Ausgangsgleichrichter 14 des Schaltnetzteiles 100 wird im Freilauf betrieben; somit gelangt keine Energie mehr über die Ausgangsklemmen A₊ und A_– in die elektrische Versorgungseinheit 1 bzw. zur Plasmaanlage 2.
Erkennt die Steuerschaltung 8 also das Auftreten eines Lichtbogens 3, so betätigt sie über ihren Steuerausgang 9 das Schaltmittel 6 und gleichzeitig über ihren Steuerausgang 10 das Schaltnetzteil 100. Das Schaltnetzteil 100 bzw. sein Ausgangsgleichrichter 14 wird im Freilauf betrieben, so dass die in der Induktivität L = 60 μH und in dem Kondensator C = 10 nF gespeicherte Energie den Strom I über die Elektroden 4 und 5 aufrechterhält. Durch das Aufrechterhalten des Stromes I und das nicht gänzliche Auftrennen des Kathodenstromkreises durch das Schaltelement 6 werden diskontinuierliche Strom- und Spannungsverläufe an den Elektroden 4 und 5 vermieden. Ein Teil der Lichtbogenenergie wird dadurch in einem Spannungsteiler-Widerstand R_V = 300 Ω und insbesondere in einem FET-Transistor, welche Bestandteile des Schaltelementes 6 sind, in Wärme umgewandelt.
2 zeigt das Schaltelement 6 im Detail. Der Steuereingang 7 des Schaltelementes 6 ist mittels einer Seriendiode 12 und eines Serienwiderstands (10 Ω) 13 mit dem Gate-Anschluss eines MOS-FET-Transistors T verbunden. Der Serienwiderstand 13 erfüllt hierbei eine strombegrenzende und schützende Funktion für den Gate-Eingang des MOS-FET-Transistors T. Die Seriendiode 12 beugt dem Abfließen des Gate-Stromes vor, wenn der Steuereingang 7 nicht mehr mit einem positiven Signal U_S beaufschlagt ist.
Für das Ansteuern des Schaltelementes 6 wird eine negative Logik vorausgesetzt, d. h. nicht betätigt ist das Schaltelement 6, wenn die Schaltspannung U_S am Schalteingang 7 des Schaltmittels 6 anliegt. Betätigt ist das Schaltmittel 6, wenn am Steuereingang 7 keine Schaltspannung U_S anliegt.
Im nicht betätigten Fall, also U_S = 15 V, ist der MOS-FET-Transistor T so angesteuert, dass er vollständig leitend ist. In diesem Zustand weist er einen Durchgangswiderstand von ca. 200 mΩ auf. Da die Z-Diode 11 eine Z-Spannung von 200 V hat, kann sie aufgrund der zu geringen Drain-Source-Spannung U_DS nicht durchbrechen. Die Z-Diode 11 sperrt und der Z-Diodenstrom I_Z ist somit gleich Null. Abgesehen von dem minimalen bauteilbedingten Durchlasswiderstand des MOS-FET-Transistors T von ca. 200 mΩ ist in diesem Zustand das Schaltmittel 6 wie ein geschlossener verlustfreier Schalter zu betrachten.
3 zeigt das Schaltmittel 6 in einem nicht angesteuerten, also betätigten, Zustand, d. h. die Schaltspannung ist U_S = 0. Dadurch wird die Gate-Source-Spannung U_GS kurzzeitig zu Null und der MOS-FET-Transistor T wechselt in den Sperrbereich. Durch den erhöhten Sperrwiderstand des MOS-FET-Transistors T steigt die Drain-Source-Spannung U_DS. Aufgrund der hohen Betriebsspannung von ca. 500 V an den Elektroden 4 und 5 der Plasmaanlage 2 fallen deutlich mehr als 200 V über den Drain- und Source-Anschluss des MOS-FET-Transistors T ab. Da U_DS ≥ 200 V ist, bricht die Z-Diode 11 durch und es stellt sich eine konstante Spannung U_Z = 200 V an der Z-Diode 11 ein. Die durchgebrochene Z-Diode 11 lässt einen Z-Diodenstrom I_Z fließen. Der Z-Diodenstrom I_Z hat am Spannungsteiler-Widerstand R_V einen Spannungsabfall U_RV zur Folge. Dieser Spannungsabfall U_RV ist gleichzusetzen mit der Gate-Source-Spannung U_GS. Mit dem Anliegen einer Gate-Source-Spannung U_GS wird der MOS-FET-Transistor T wieder leitend. Dieser Zustand bleibt so lange stabil, bis der Z-Diodenstrom I_Z bzw. der abklingende Gesamtstrom I der Schaltung nicht mehr ausreicht, über dem Verlustwiderstand R_V einen ausreichenden Spannungsabfall für die Gate-Source-Spannung U_GS zu realisieren. Denn fällt die Gate-Source-Spannung U_GS, so wechselt der MOS-FET-Transistor T wieder in den Sperrbereich.
Von nun an sind zwei Vorgänge überlagert zu betrachten: Der immer noch abklingende Gesamtstrom I der Anlage wird über die Strommesseinrichtung 15 fortlaufend gemessen. Hat der Gesamtstrom I einen vorgegebenen Grenzwert erreicht, so ist das ein Zeichen dafür, dass der Lichtbogen verloschen ist. Mit dem Verlöschen des Lichtbogens 3 kann die Unterbrechung der Energiezufuhr des Schaltnetzteils 100 wieder aufgehoben werden. Zeitgleich wird der Schalteingang 7 des Schaltmittels 6 mit der Schaltspannung U_S = 15 V beaufschlagt, so dass das Schaltmittel 6, abgesehen von seinem geringen Durchlasswiderstand, vollständig durchschaltet.
Alternativ kann in einem zu 3 und 4 abweichenden Ausführungsbeispiel ohne Z-Diode ein ähnlicher Effekt erzielt werden. Der FET-Transitor T wird dann von „Drain" nach „Source" in einem Avalanche-Betrieb betrieben. Das bedeutet, der FET-Transitor T wird zwar betätigt, und sperrt dadurch, aber der durch die Induktivität getriebene Strom I wird den Transistor zu einem nicht genau bestimmbaren Zeitpunkt von einem sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand versetzen.
4 zeigt die Spannungs- und Stromverläufe an den Elektroden 4 und 5 der Plasmaanlage 2. Die Kurve 30 repräsentiert einen Spannungsverlauf U ohne das erfindungsgemäße Schaltmittel 6, also nach dem Stand der Technik. Die Kurve 32 zeigt zur Verdeutlichung der Verbesserung einen Spannungsverlauf U mit dem Schaltmittel 6 nach der Erfindung. Eine wesentliche Verbesserung durch das Schaltmittel 6 ist auch zwischen den Stromverläufen 34 und 36 zu erkennen, wobei Kurve 34 einen Stromverlauf ohne das erfindungsgemäße Schaltmittel 6 zeigt und Kurve 36 einen Stromverlauf mit dem eingesetzten Schaltmittel 6.
In einem Plasma-Bereich 20 wird mit einer Spannung von ca. 500 V gearbeitet. Man nennt diese Spannung auch Plasma-Span nung. Im Plasma-Bereich 20 verhalten sich die Spannung U 30 und der Strom I 34 konstant. Mit Auftreten eines Lichtbogens 3 zum Zeitpunkt 40 wechseln der Spannungsverlauf 30 und der Stromverlauf 34 vom Plasma-Bereich 20 in einen Lichtbogenbereich 21. Dies bedeutet für die Spannung U ein schlagartiges Zusammenbrechen von der Plasma-Spannung von ca. 500 V auf eine ca. 80 V große Lichtbogenspannung. Bei 80 V brennt der Lichtbogen. Die Kurven 30 und 34 zeigen die Strom- und Spannungsverläufe bei nicht eingesetztem Schaltmittel 6 und lediglich nach Eintreten des Lichtbogens 3 abgeschaltetem Schaltnetzteil 100. Am Stromverlauf 34 ist deutlich zu sehen, dass durch die nur eine Schaltmßnahme, nämlich das Unterbrechen der Energiezufuhr des Schaltnetzteils 100 zu den Ausgangsklemmen A₊, A_–, der Strom I bereits abklingen kann. Da die Energie in diesem Kreis nicht schnell genug abgebaut werden kann, braucht der Strom I eine relativ hohe Zeit bis er seinen Grenzwert oder den Nullwert erreicht hat. Die Stelle an der der Strom I die x-Achse schneidet oder erreicht wird Zeitpunkt des Verlöschens 42 genannt.
Der Kurvenverlauf 36 ist der Stromverlauf des Stromes I über die Elektroden 4 und 5 der Plasmaanlage 2 mit dem erfindungsgemäßen Schaltmittel 6 im Kathodenstromkreis. Der Stromverlauf 36 ist nun im Lichtbogenbereich 21 wesentlich steiler und klingt damit rascher ab. Durch das verkürzte Erreichen eines Stromgrenzwertes oder eines Nullwertes, welcher eine Aussage darüber zulässt, dass der Lichtbogen verloschen ist, kann die Zeitausdehnung des Zündbereiches 21 und die Zeitausdehnung eines Pausenbereiches 22, welcher vorzugsweise der Sicherheit dient, zusammengefasst und somit -anders als in der Vergleichsdarstellung der 4 in der Praxis verkürzt werden. Daraus resultieren kürzere Beschichtungszeiten für die zu beschichtenden Materialien.

Typische Werte für bisher genannte Größen sind:

300 V < U < 1 000 V	Spannung bei der gesputtert wird.
2 A < I < 20 A	Strom bei dem gesputtert wird.
25 A < I_ARC < 40 A	Strom, kurz nach dem Losbrennen eines Lichtbogens.
10 V < U_ARC < 60 V	Spannung, bei der der Lichtbogen brennt (geometrieabhängig).
20 μH < L < 60 μH wobei gilt: 0,5 I_ARC ² L < 10 mJ	Induktivität, dimensioniert auf eine maximal zulässige Lichtbogen-Energie.
80 V < U < 200 V	Schwellspannung für die Spannungsüberwachung, zum Ermitteln ist vorzugsweise ein Komparator einzusetzen, da eine Reaktionszeit << 1 μs gefordert ist.

Claims

Plasmaanlage (2), insbesondere Plasma-Beschichtungsvorrichtung, bei der ein Lichtbogen (3) und/oder ein Durchschlag zwischen mindestens einem Elektroden-Paar (4, 5) auftreten kann, umfassend eine elektrische Versorgungseinheit (1), mit – wenigstens einem steuerbaren Schaltmittel (6), welches mindestens einen Schalteingang (7) aufweist, – einer elektrischen Energiequelle (100), deren Ausgangsanschlüsse (A₊, A_–) über das Schaltmittel (6) mit den Elektroden (4, 5) der Plasmaanlage (2) verbunden sind, und – einer Steuerschaltung (8) zum Erkennen des Auftretens des Lichtbogens (3) und/oder des Durchschlags, welche bei Auftreten des Lichtbogens (3) bzw. des Durchschlags über einen ersten Steuerausgang (9) das Schaltmittel (6) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungseinheit (1) derart hergerichtet ist, dass bei und/oder nach Betätigen des Schaltmittels (6) ein Stromfluss (I) durch das Schaltmittel (6) erhalten bleibt.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betätigen des Schaltmittels (6) ein Widerstand des Schaltmittels (6) auf einen Wert aus dem Bereich zwischen 1 Ω und 10 kΩ, insbesondere auf einen Wert zwischen 2 Ω und 200 Ω, einstellbar ist.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Betätigen des Schaltmittels (6) ein Spannungsabfall (U_DS) am Schaltmittel (6) konstant ist.
Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (8) über einen zweiten Steuerausgang (10) für eine Unterbrechung des Energieflusses der elektrischen Energiequelle (100) zu den Ausgangsanschlüssen (A₊, A_–) hergerichtet ist.
Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Betätigen des Schaltmittels (6) der Stromfluss (I) abnimmt.
Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (6) einen steuerbaren Leistungshalbleiter (T) aufweist.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Leistungshalbleiter (T) als FET-Transistor, insbesondere als MOS-FET-Transistor, ausgestaltet ist.
Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (6) eine Zener-Diode (11) aufweist.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zener-Diode (11) mit ihrer Kathode am Drain-Anschluss (D) und mit ihrer Anode am Gate-Anschluss (G) des FET-Transistors (T) angeschlossen ist.
Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (6) einen Spannungsteiler-Widerstand (R_V) aufweist.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler-Widerstand (R_V) zwischen dem Gate-Anschluss (G) und dem Source-Anschluss (S) des FET-Transistors (T) angeschlossen ist.
Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteingang (7) eine Seriendiode (12) und/oder einen Serienwiderstand (13) aufweist.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteingang (7) mit dem Gate-Anschluss (G) des FET-Transistors (T) in Verbindung steht.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (6) derart in einer Reihenschaltung zwischen den Ausgangsanschlüssen (A₊, A_–) und den Elektroden (4, 5) angeschlossen ist, dass der Drain-Anschluss (D) des FET-Transistors (T) mit einer Elektrode (5) und der Source-Anschluss (S) mit einem Ausgangsanschluss (A_–) in Verbindung steht.
Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsanschlüsse (A₊, A_–) über wenigstens eine Induktivität (L) und über das Schaltmittel (6) mit den Elektroden (4, 5) verbunden sind.
Plasmaanlage (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (C) parallel zu den Ausgangsanschlüssen (A₊, A_–) und in Serie zu der Induktivität (L) verschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Versorgungseinheit (1) für eine Plasmaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach Betätigen des Schaltmittels (6) für ein bestimmtes Zeitintervall ein Stromfluss (I) durch das Schaltmittel (6) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand des Schaltmittels (6) auf einen Wert aus dem Bereich zwischen 1 Ω und 10 KΩ, insbesondere auf einen Wert zwischen 2 Ω und 200 Ω, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaanlage (2) derart betrieben wird, dass das Zeitintervall im Bereich von 4 μs bis 12 μs liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten eines Lichtbogens (3) und/oder eines Durchschlags die Steuerschaltung (8) über einen zweiten Steuerausgang (10) den Energiefluss der elektrischen Energiequelle (100) zu den Ausgangsanschlüssen (A₊, A_–) unterbricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsgleichrichter (14) der elektrischen Energiequelle (100) im Freilauf betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsabfall (U_DS) am Schaltmittel (6) als konstant eingeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitspunkt (U_DS, I_D) am Schaltmittel (6) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungseinheit (1) derart betrieben wird, dass nach Betätigen des Schaltmittels (6) eine in der Induktivität (L) gespeicherte Energie den Stromfluss (I) über die Elektroden (4, 5) aufrechterhält und diskontinuierliche Verläufe von Strom (I) und/oder Spannung (U) zwischen den Elektroden (4, 5) vermieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei das Schaltmittel (6) folgende Komponenten aufweist, – einen steuerbaren Leistungshalbleiter (T), insbesondere einen FET-Transistor, – eine Zener-Diode (11), – einen Spannungsteiler-Widerstand (R_V) und – eine Serien-Diode (12), dadurch gekennzeichnet, dass der FET-Transistor (T) an seinem Gate-Anschluss (G) über die Serien-Diode (12) mittels des ersten Steuerausgangs (9) mit einer Schaltspannung (U_S) angesteuert wird und beim Betätigen des Schaltmittels (6) die Schaltspannung (U_S) derart eingestellt wird, dass der FET-Transistor (T) in den Sperrbetrieb wechselt, wobei zeitgleich die zwischen dem Drain-Anschluss (D) und dem Gate-Anschluss (G) geschaltete Zener-Diode (11) im Durchbruch betrieben wird und sich eine konstante Spannung (U_Z) an der Zener-Diode (11) einstellt, wobei der über die Zener-Diode (11) fließende Z-Dioden-Strom (I_Z) über dem zwischen dem Gate-Anschluss (G) und dem Source-Anschluss (S) verschalteten Spannungsteiler-Widerstand (R_V) eine Gate-Source-Spannung (U_GS) verursacht, welche ein vollständiges Sperren des FET-Transistors) (T) verhindert.