DE10032955A1 - Arrangement for generation of low temperature plasma at atmospheric pressure, has electrode system or parts of it provided with electrical networks for matching impedance to output data of high frequency generators - Google Patents

Arrangement for generation of low temperature plasma at atmospheric pressure, has electrode system or parts of it provided with electrical networks for matching impedance to output data of high frequency generators

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DE10032955A1
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Abstract

An arrangement for the generation of a low temperature plasma at atmospheric pressure consists of two electrode systems between which a high frequency voltage is applied and which have spacings between 10 and 1000 microns filled with the plasma-generating gas. The electrode system altogether or parts of it is/are provided with electrical networks (18) for the matching of the impedance of the electrode system and the plasma generated with it to the output data of high frequency generators (14). The electrode system consists of a strip-like electrode pair (15) arranged in parallel which is connected to the high frequency. The electrode system also consists of several strip-like electrode pairs to which the high frequency is connected directly by parallel wiring.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas mittels einer Hochfrequenz-Gasentladung gemäß der Gattung der Patentansprüche und ist insbesondere in plasmagestützten Dünnschichtverfahren sowie bei der Oberflächenmodifi­ zierung von Materialien verwendbar.The invention relates to an arrangement for generating a low-temperature plasma by means of a high-frequency gas discharge according to the preamble of the claims and is especially in plasma-supported thin-film processes and in surface modification decoration of materials usable.

Stand der TechnikState of the art

Bereits in den 30-er Jahren wird neben den bereits bekannten Corona- und Barriereentla­ dungen die Möglichkeit des Erzeugens einer Glimmentladung bei vergleichsweise hohen Gasdrücken zwischen 10 und 1000 mbar beschrieben. Es wird gezeigt (A. v Engel, M. Steenbeck, "Elektrische Gasentladungen", Bd. I und II, Springer Verlag Berlin, 1932 und 1936, und von Engel, A.; Seeliger, R.; Steenbeck, M.; Zeitschrift für Physik (1933) vol. 85, 144-160,) daß selbst bei Atmosphärendruck eine Glimmentladung mit Gleichstrom gezün­ det werden kann, wenn der Abstand der Elektroden der bekannten Ähnlichkeitsbeziehung p . d = const. genügt (p - Gasdruck, d - Elektrodenabstand). Es wird gezeigt, daß bei Elektrodenabständen von einigen Zehntel Millimeter auf vergleichsweise geringen Flächen von einigen Quadratmillimetern ein Niedertemperaturplasma mit typischen Brennspan­ nungen von 300-600 V gezündet werden kann. Beträchtliches Augenmerk ist auf die ex­ trem hohe Wärmebelastung der Elektroden zu legen, weshalb mit atmosphärischer Luft nur Elektrodenflächen von ein paar Quadratmillimetern untersucht werden.Already in the 1930s, alongside the already known corona and barrier outlet the possibility of generating a glow discharge at comparatively high Gas pressures between 10 and 1000 mbar described. It is shown (A. v Engel, M. Steenbeck, "Electrical gas discharges", Vol. I and II, Springer Verlag Berlin, 1932 and 1936, and by Engel, A .; Seeliger, R .; Steenbeck, M .; Journal of Physics (1933) vol. 85 144-160,) that a glow discharge with direct current is ignited even at atmospheric pressure can be detected if the distance between the electrodes of the known similarity relationship p. d = const. is sufficient (p - gas pressure, d - electrode spacing). It is shown that at Electrode spacings of a few tenths of a millimeter on comparatively small areas A low-temperature plasma with typical fuel chips of a few square millimeters 300-600 V can be ignited. Considerable attention is paid to the ex extremely high heat load on the electrodes, which is why with atmospheric air only electrode areas of a few square millimeters are examined.

Neben diesen atmosphärischen DC-Plasmen gab es zu Beginn des 20. Jahrhunderts bereits einige Aktivitäten zur Erzeugung von Hochfrequenz-Plasmen mit vergleichsweise hohen Spannungen. Hochfrequenz-Funkenentladungen an atmosphärischer Luft wurden vor dem Siegeszug der Elektronenröhren ab etwa 1920 zum Anregen der Schwingkreise von Funk­ sendern eingesetzt (Löschfunkensender).In addition to these atmospheric DC plasmas, there were already at the beginning of the 20th century some activities for the generation of high-frequency plasmas with comparatively high Tensions. High frequency spark discharges in atmospheric air have occurred before The triumphal advance of the electron tubes from around 1920 to stimulate the resonant circuits of radio transmitters used (extinguishing spark transmitter).

Vor allem mit dem Entstehen der Halbleitermikroelektronik und dem damit hervorgerufe­ nen Bedarf an Dünnschichtverfahren entsteht ein außerordentlich breites Feld von An­ wendungen von Niedertemperaturplasmen im Fein- und Hochvakuumbereich. Plasmaver­ fahren basierend auf dem ausgereift untersuchten Niedertemperaturplasma wie Plasma CVD, Plasmaätzen oder Plasmapolymerisation erreichen als Dünnschichttechnologien in Vakuumanlagen eine außerordentliche wissenschaftliche und industrielle Reife.Above all with the emergence of semiconductor microelectronics and the resultant A need for thin-film processes creates an extraordinarily broad field of applications Applications of low-temperature plasmas in the fine and high vacuum range. Plasmaver drive based on the mature investigated low-temperature plasma such as plasma CVD, plasma etching or plasma polymerization are achieved as thin film technologies in Vacuum systems an extraordinary scientific and industrial maturity.

Mit dem Ende des 20. Jahrhunderts entstehen sowohl aus der Hableitermikroelektronik als auch aus dem Vordringen dieser Plasma-Dünnschichttechnologien in neue Märkte wie Medizintechnik, Photovoltaik, Mikrosystemtechnik oder Neue Materialien und Werkstoffe die Forderung nach kostengünstigeren und produktiveren Verfahren. Beides könnten At­ mosphärendruck-Plasmaverfahren liefern, wenn sie von der physikalischen Grundlage und der technischen Nutzung her einsetzbar gemacht werden.With the end of the 20th century emerged from the semiconductor microelectronics as well also from the penetration of these plasma thin-film technologies into new markets such as Medical technology, photovoltaics, microsystem technology or new materials  the demand for cheaper and more productive processes. At provide atmospheric pressure plasma processes if they are based on the physical and be made usable for technical use.

Vor diesem Hintergrund wurden ältere Arbeiten zu Corona- und Barriere-Entladungen einer erneuten Prüfung unterzogen und an dieses neu gesteckte Ziel atmosphärischer Plasmatechnik angepasst. Arbeiten wie (K. Pochner, S. Beil, H. Horn, M. Blömer, Surf. Coatings Technology 97 (1997) 372-377, Barriereentladung) oder (R. Thyen, A. Weber, C.-P. Klages, Surf. Coatings Technology, 97 (1997) 426-434, Coronaentladung) zeigen Möglichkeiten des Einsatzes dieser Verfahren in der Dünnschichttechologie bei Atmosphä­ rendruck.Against this background, older work on corona and barrier discharges reexamined and more atmospheric towards this newly set goal Adapted plasma technology. Works like (K. Pochner, S. Beil, H. Horn, M. Blömer, Surf. Coatings Technology 97 (1997) 372-377, barrier discharge) or (R. Thyen, A. Weber, C.-P. Klages, surf. Coatings Technology, 97 (1997) 426-434, corona discharge) Possibilities of using these processes in thin film technology at atmosphere rend jerk.

Die zum Erzeugen eines atmosphärischen Niedertemperaturplasmas notwendige elektri­ sche Feldstärke von mehr als 1 kV/mm kann auch durch induktiv gekoppelte Plasmen eingebracht werden. Möglichkeiten hierzu werden z. B. in (Paul, K. C., Hatazawa, S., Taka­ hashi, M., Thin Solid Films, Vol. 345, (1999) 134) gezeigt.The electri necessary to generate an atmospheric low-temperature plasma The field strength of more than 1 kV / mm can also be caused by inductively coupled plasmas be introduced. Options for this are e.g. B. in (Paul, K.C., Hatazawa, S., Taka hashi, M., Thin Solid Films, Vol. 345, (1999) 134).

Dem Problem der Leistungsbelastung der Elektroden vor allem bei atmosphärischen DC- Plasmen kann auch mit strömungstechnischen Mitteln begegnet werden (Jet-Plasmen). Z. B. in (Babayan, S. E., Jong, J, Y, Tu, V. J., Plasma Sources, Science and Technology (1998), vol. 7, 286) oder (Jeong, J. Y., Babayan, S. E., Tu, V J., Plasma Source, Science and Technology (1998) Vol. 7, 282,) werden atmosphärische Jet-Plasmen beschrieben, die neben der Er­ zeugung mit DC auch mit Hochfrequenz oder Mikrowellengeneratoren betrieben werden können. Für die Jet-Plasmen ist ein verhältnismäßig geringer Durchmesser von 1-10 mm kennzeichnend, weshalb zur Bearbeitung von Flächen in industriellen Masstäben Bewe­ gungsanordnungen für den Jet oder Multiple Jet Anordnungen untersucht werden.The problem of the power load on the electrodes, especially with atmospheric DC Plasmas can also be countered by fluidic means (jet plasmas). E.g. in (Babayan, S.E., Jong, J, Y, Tu, V.J., Plasma Sources, Science and Technology (1998), vol. 7, 286) or (Jeong, J.Y., Babayan, S.E., Tu, VJ, Plasma Source, Science and Technology (1998) Vol. 7, 282,) atmospheric jet plasmas are described which, in addition to the Er Generation with DC can also be operated with high frequency or microwave generators can. For the jet plasmas is a relatively small diameter of 1-10 mm characterizing why Bewe Arrangements for the jet or multiple jet arrangements are examined.

In der chemischen massenspektroskopischen Analytik benötigen Massenspektrometer eine Ionen erzeugende Quelle, die auf einem Plasmaprinzip basieren kann. Besonders hohe Nachweisempfindlichkeiten können erreicht werden, wenn die Ionenquelle bei atmosphäri­ schem Druck betrieben wird. Hierzu werden typischerweise sehr kleine (Durchmesser klei­ ner 10-20 mm) HF-Plasmen (Blades, M. W., Spectrochimica Acta, Part B, (1994), vol. 49B, 47) oder ICP-Plasmen (Girshick, S. L., Yu. W. Plasma Chemistry and Plasma Proces­ sing (1990), vol. 10, 515) oder (Ishigaki, T.; Xiabao Fan; Sakuta, T.; Banjo, T.; Shibuya, Y.; Appl. Phys. Letters (1997), vol. 71, 3787) verwendet.In chemical mass spectroscopic analysis, mass spectrometers require one Ion generating source, which can be based on a plasma principle. Particularly high Detection sensitivities can be achieved if the ion source is at atmospheric chemical pressure is operated. For this purpose, typically very small (small diameters ner 10-20 mm) HF plasmas (Blades, M.W., Spectrochimica Acta, Part B, (1994), vol. 49B, 47) or ICP plasmas (Girshick, S.L., Yu. W. Plasma Chemistry and Plasma Proces sing (1990), vol. 10, 515) or (Ishigaki, T .; Xiabao Fan; Sakuta, T .; Banjo, T .; Shibuya, Y .; Appl. Phys. Letters (1997), vol. 71, 3787) is used.

Einen generell anderen Anspruch mit dem Hintergrund großflächiger Nutzung stellt sich dagegen die Patentanmeldung (K. H. Gericke, H. Schmidt-Böcking, Deutsches Patent, DE 196 05 226 A1, (1996)) wieder basierend auf dem vergleichsweise alten p . d = konst. Ska­ lierungsgesetz atmosphärischen DC-Plasmen in p . d-skalierten Elektrodenanordnungen, die mit der jetzt verfügbaren Mikrosystemtechnik billig und großflächig erzeugbar sind. Mi­ krostrukturelektroden zur Plasmerzeugung werden z. B. auch in (Stark, R. H.; Schoenhach, K. H.; in International Conference on Plasma Science (Cat. No.: 98CH36221) New York, NY, USA, IEEE, 1998, 241) erwähnt.A generally different claim with the background of large-scale use arises on the other hand, the patent application (K.H. Gericke, H. Schmidt-Böcking, German Patent, DE 196 05 226 A1, (1996)) again based on the comparatively old p. d = constant Ska law of atmospheric DC plasmas in p. d-scaled electrode arrays that  with the now available microsystem technology can be produced cheaply and over a large area. Wed. Crostructed electrodes for plasma generation are used e.g. B. also in (Stark, R. H .; Schoenhach, K. H .; in International Conference on Plasma Science (Cat.No .: 98CH36221) New York, NY, USA, IEEE, 1998, 241).

Ähnliche Anordnungen von Elektroden werden in den Patenten von J. R. Roth (Roth, J. R.; US-Patent US 5669583 (1997)) zur technischen Anordnung der Elektrodensysteme und in (Roth, J. R.; Patent WO 9638311 (1997)) und (Laroussi, M.; Liu, C.; Roth, J.; Spence P. D.; Tsai, P.; Wadsworth, L. C.; Roth, J. R.; Tsai, P. P.; Patent WO 9428568) zur Anwendung dieser Elektrodensysteme vorrangig zur Oberflächenmodifizierung von Polymeren vorge­ schlagen. Diese (p.d)-skalierten Kammstrukturen von Elektrodensystemen werden mit Gleichspannungen oder mit im amerikanischen Sprachgebrauch bereits als Hochfrequenz bezeichneten Frequenzen von 0.1 bis 30 kHz betrieben.Similar arrangements of electrodes are described in the patents of J.R. Roth (Roth, J.R .; US Patent US 5669583 (1997)) for the technical arrangement of the electrode systems and in (Roth, J. R .; Patent WO 9638311 (1997)) and (Laroussi, M .; Liu, C .; Roth, J .; Spence P. D .; Tsai, P .; Wadsworth, L. C .; Roth, J. R .; Tsai, P. P .; Patent WO 9428568) for use these electrode systems are primarily used for surface modification of polymers beat. These (p.d) -scaled comb structures of electrode systems are included DC voltages or with high frequency already in American usage designated frequencies operated from 0.1 to 30 kHz.

Mit den so gezeigten Möglichkeiten kammartig ineinander geschachtelter und wieder (p.d)- skalierter Elektrodenstrukturen konnte der Durchbruch in der industriellen Anwendung jedoch nicht erreicht werden, weil der Wärmeeinstrom auf die das Niedertemperaturplasma erzeugenden Elektroden bei Atmosphärendruckplasmen nicht beherrscht wird. Der Ein­ satz von Hochfrequenz (1-100 MHz) wurde an (p.d)-skalierten Elektrodenstrukturen bisher nicht untersucht.With the possibilities shown in this way comb-like nested and again (p.d) - The breakthrough in industrial application was achieved with scaled electrode structures however cannot be achieved because of the heat inflow onto the the low temperature plasma generating electrodes in atmospheric pressure plasmas is not mastered. The one High frequency (1-100 MHz) was used on (p.d) scaled electrode structures not yet examined.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Eine dem Stand der Technik entsprechende Plasmaanlage ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vakuumkammer bei einem Gasdruck zwischen 0.01 und 10 mbar ein Plasma durch Anlegen von Gleich-, Niederfrequenz-, oder Hochfrequenzspannungen an Elektroden erzeugt wird. Die Vakuumkammer muß dabei so aufgebaut sein, daß sie die Kräfte des darauf einwirkenden Atmosphärendrucks aushält. Dies führt bei größeren industriellen Plasmaanlagen dazu, daß ein beträchtlicher Teil der gesamten Ausrüstungskosten auf das Vakuumsystem entfallen (mehr als 50% der Gesamtkosten möglich).A state-of-the-art plasma system is characterized in that in a vacuum chamber at a gas pressure between 0.01 and 10 mbar Applying direct, low frequency, or high frequency voltages to electrodes is produced. The vacuum chamber must be constructed so that it can withstand the forces of endures atmospheric pressure. This leads to larger industrial Plasma systems account for a significant portion of the total equipment cost There is no vacuum system (more than 50% of the total costs possible).

Während Plasmaanlagen zum Bearbeiten von Kleinserien noch traditionell mit den zu be­ arbeitenden Gegenständen bei belüftetem Zustand beschickt werden und dann in Zeiten zwischen 0.5 und 60 min das erforderliche Prozeßvakuum durch Abpumpen der Vakuum­ kammer erzeugt wird, wird bei größeren industriellen Plasmaanlagen mit Vakuumschleusen zum Ein- und Ausbringen der zu bearbeitenden Gegenstände gearbeitet. Diese Schleusen sind teuer und aufwendig, da darin befindliche mechanische Handhabungstechnik speziell den Vakuumanforderungen angepaßt werden muß. While plasma systems for processing small series are still traditionally used to be working objects are loaded with ventilation and then at times between 0.5 and 60 min the required process vacuum by pumping down the vacuum chamber is generated, is used in larger industrial plasma systems with vacuum locks worked for the introduction and removal of the objects to be processed. These locks are expensive and complex because the mechanical handling technology contained therein is special must be adapted to the vacuum requirements.  

Die gesamte Technologiestrecke zum Herstellen eines Produkts mit hohem Dünnschicht­ technologieanteil, wie z. B. mikrosystemtechnische Bauelemente, Solarzellen oder Sensoren besteht aus einem großen Anteil von atmosphärischen Bearbeitungsstationen, an die die im Vakuum stattfindende Plasmatechnologie dann mittels Übergangselementen (wie z. B. Schleusen) angepasst werden muß.The entire technology range for manufacturing a product with a high thin film technology share, such as B. microsystem components, solar cells or sensors consists of a large proportion of atmospheric processing stations to which the in Vacuum plasma technology then takes place using transition elements (such as Locks) must be adjusted.

Aus allen diesen Überlegungen folgt, daß besonders für die industrielle Produktion Atmo­ sphärendruckplasmaanlagen beträchtliche Vorteile bringen. Forschungsarbeiten zu Corona- Entladungen oder Barriere-Entladungen sind die bisher in dieser Hinsicht am weitesten gediehenen Entladungsformen. Diese Entladungen werden auf in der Regel kleineren Flä­ chen bis hin an atmosphärischer Luft direkt erzeugt und erreichen z. B. mit Anordnungen bei denen das relativ kleine Plasma über größere Flächen mechanisch bewegt wird, ausrei­ chende Produktivität für z. B. die industrielle Polymeroberflächenmodifizierung. Der Nachteil dieser Plasmen besteht darin, daß in diesen Plasmen eine Vielzahl von vergleichs­ weise hochenergetischen Plasmaprozessen ablaufen (z. B. Teilcoronaentladungen, Sparks, Streamer), die mit den damit verbundenen hohen und sehr inhomogen verteilten Ladungs­ trägerenergien einen negativen, bis zur Zerstörung reichenden Einfluß auf Dünnschichtsy­ steme haben. Für Dünnschichtprozesse wie Plasmaätzen oder Plasmabeschichtung, die als wesentlichen Prozessparameter eine definierte Ionenenergie (eingestellt durch die Self- Biasspannung des erzeugten HF-Plasmas) erfordern, sind diese atmosphärischen Plasmen daher nicht anwendbar.It follows from all these considerations that Atmo spherical pressure plasma systems bring considerable advantages. Research on Corona Discharges or barrier discharges are the farthest so far in this regard thriving forms of discharge. These discharges are usually on smaller areas Chen to atmospheric air directly generated and reach z. B. with arrangements where the relatively small plasma is mechanically moved over larger areas correct productivity for z. B. industrial polymer surface modification. The The disadvantage of these plasmas is that a large number of comparative in these plasmas wise high-energy plasma processes take place (e.g. partial corona discharges, sparks, Streamer), with the associated high and very inhomogeneously distributed charge carrier energies have a negative influence on thin-film systems that extends to destruction have steme. For thin-film processes such as plasma etching or plasma coating, which as essential process parameters a defined ion energy (set by the self- Bias voltage of the generated RF plasma), these are atmospheric plasmas therefore not applicable.

Produktive industrielle Plasmaanlagen sollen Abtrags- oder Beschichtungsraten im Bereich von einigen µm/min aufweisen (Hochrateprozesse). Um dies zu erreichen, ist bei Plasmen im mbar-Bereich eine bis an die Grenzen gehende Optimierung von plasmaphysikalischen und plasmachemischen Parametern notwendig, die gegebenenfalls mit Kompromissen bzgl. weiterer Plasma- und Prozessparameter erkauft werden müssen.Productive industrial plasma systems are said to have removal or coating rates in the area of a few µm / min (high-rate processes). To achieve this is with plasmas in the mbar range an optimization of plasma physical that goes to the limits and plasma chemical parameters necessary, possibly with compromises with regard to further plasma and process parameters must be purchased.

(p.d)-skalierte Elektrodensysteme, betrieben bei hohem oder atmosphärischem Druck er­ möglichen nach ersten Versuchen hohe für industrielle Masstäbe erfolgversprechende Ab­ trags- und Beschichtungsraten. Werden sie mit Gleich- oder Niederfrequenzspannungen (< 100 kHz) betrieben, führt die hohe Wärmebelastung durch das erzeugte stromstarke Plas­ ma zu schwer beherrschbaren Standzeitproblemen an den Elektrodenstrukturen. Werden diese Elektrodensysteme mit Hochfrequenzspannungen betrieben, ist die Wärmeleistungs­ belastung geringer aber es können nur Plasmaflächen von einigen Quadratzentimeter Elektrodenfläche aufgrund der hohen Lastkapazität der Anordnung erzeugt werden, wenn konventionelle Hochfrequenzgeneratoren und Anpassungsnetzwerke verwendet werden.(p.d) -scaled electrode systems, operated at high or atmospheric pressure possible high promises for industrial scales after the first attempts wear and coating rates. Are they with DC or low frequency voltages (< 100 kHz), the high thermal load leads to the generated high-power plasma ma too difficult to control service life problems on the electrode structures. Become these electrode systems operated with high frequency voltages is the thermal output load less but only plasma areas of a few square centimeters can be used Electrode area generated due to the high load capacity of the arrangement when conventional high frequency generators and matching networks are used.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Anordnung zu schaffen, die eine Hochfrequenzga­ sentladung zum Einsatz in Plasmaanlagen bei Atmosphärendruck ermöglicht und die lang­ zeitstabil zur Bildung eines Plasmas sowohl aus Edelgasen als auch aus molekularen Gasen eingesetzt werden kann. Es sollen insbesonders im Plasma Ladungsträger- und Radikal­ dichten im Bereich von 1011 bis 1014 cm-3 erzeugt werden, die hohe auf ein zu bearbeiten­ des Substrat zu leitende Plasma- oder Teilchenströme ermöglichen. Die auf Substrate ein­ treffenden Ladungsträger speziell die Ionen sollen eine mittels Hochfrequenzentladungs- Plasmaparameter (Self-Biasspannung) beeinflußbare Teilchenenergie (kleiner 1 keV) haben. Ihre Verteilung im Gas und auf dem zu bearbeitenden Substrat soll im mikroskopischem Massstab homogen sein und nicht Plasmainstabilitäten wie z. B. Streamer aufweisen. Durch die im Vergleich zu Plasmen im mbar-Bereich um bis zu drei Größenordnungen höheren Teilchendichten werden Beschichtungs- und Abtragsraten im Bereich von 1-10 µm/min und mehr als typische mittlere nicht optimierte Werte erzielt.The object of the invention is therefore to provide an arrangement which enables a high frequency discharge for use in plasma systems at atmospheric pressure and which can be used for a long time to form a plasma both from noble gases and from molecular gases. In particular, charge carrier and radical densities in the range from 10 11 to 10 14 cm -3 are to be generated in the plasma, which enable high plasma or particle flows to be processed on a substrate. The charge carriers that hit the substrates, especially the ions, should have a particle energy (less than 1 keV) that can be influenced by means of high-frequency discharge plasma parameters (self-bias voltage). Your distribution in the gas and on the substrate to be processed should be homogeneous on a microscopic scale and not plasma instabilities such. B. have streamers. Due to the particle densities that are up to three orders of magnitude higher than plasmas in the mbar range, coating and removal rates in the range of 1-10 µm / min and more than typical average non-optimized values are achieved.

Werden Hochfrequenzplasmen bei Atmosphärendruck mit Elektrodensystemen erzeugt, haben die Elektroden kleine Abstände, die etwa im Bereich von 0.1 mm liegen. Dadurch sind, besonders wenn die Elektrodenanordnungen großflächig sein sollen, Lastkapazitäten dieser Anordnung bedingt, die die Anpassungsmöglichkeiten von konventionellen Hoch­ frequenznetzwerken auf der Basis eines Pi-Filters weit überschreiten können. Neben der Lösung der oben beschriebenen Aufgaben durch prinzipielle Anwendung des Hochfre­ quenzplasmas besteht die Aufgabenstellung für die erfindungsgemäße Lösung darin, daß Elektrodenanordnungen und darin oder daran angeschlossene Hochfrequenznetzwerk­ komponenten so aufgebaut werden, daß großflächige Hochfrequenzplasmen in Elektro­ denanordnugen erzeugt werden können, die mit konventionellen Pi-Filteranordnungen als Anpassungsnetzwerk nicht mehr betreibbar wären.If high-frequency plasmas are generated at atmospheric pressure using electrode systems, the electrodes have small distances, which are approximately in the range of 0.1 mm. Thereby are load capacities, especially if the electrode arrangements are to be large this arrangement conditioned the customization options of conventional high frequency networks based on a Pi filter can far exceed. In addition to the Solution of the tasks described above by applying Hochfre quenzplasmas the task for the solution according to the invention is that Electrode arrangements and radio frequency network connected therein or thereon Components are constructed so that large-area high-frequency plasmas in electronics The arrangements can be generated using conventional Pi filter arrangements Adaptation network would no longer be operable.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des er­ sten Patentanspruchs gelöst. Durch die erfindungsgemäße Anordnung und elektrische Be­ schaltung wird erreicht, daß Plasmaquellen aufgebaut werden können, die bei Bewahrung wichtiger Vorteile von Hochfrequenzentladungen wie steuerbare Ionenenergie, leistungsfä­ hige Atmosphärendruckplasmen mit industriell nutzbaren Standzeiten aufgebaut werden können.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the most patent claim solved. Due to the arrangement and electrical loading circuit is achieved that plasma sources can be built up, if preserved important advantages of high-frequency discharges such as controllable ion energy, atmospheric pressure plasmas with industrially usable downtimes can.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Niedertemperaturplasma bei Atmosphären­ druck zwischen Elektroden erzeugt. Für die Bemessung des Abstands der Elektroden gilt das aus der Plasmatechnik im mbar-Druckbereich bekannte Ähnlichkeitsgesetz p.d = konst, wobei p den Gasdruck im Plasma und d den Abstand der Elektroden darstellt. Auf Atmosphärendruck angewendet ergeben sich so Elektrodenabstände in Abhängigkeit von der Gasart zwischen 0.05 und etwa 1 mm.In the solution according to the invention, a low-temperature plasma at atmospheres pressure generated between electrodes. The following applies to the dimensioning of the electrodes  the law of similarity p.d = known from plasma technology in the mbar pressure range const, where p is the gas pressure in the plasma and d is the distance between the electrodes. On Applying atmospheric pressure results in electrode spacings depending on the gas type between 0.05 and about 1 mm.

An die Elektroden wird eine Hochfrequenzspannung mit einer Amplitude von 100-500 Vs angelegt, so daß das Plasma im Elektrodenspalt zündet und je nach Art des Gases und der sich ergebenden Plasmaparameter sich weiter über die umgebenden Elektroden aus­ breitet.A high-frequency voltage with an amplitude of 100-500 V s is applied to the electrodes, so that the plasma ignites in the electrode gap and, depending on the type of gas and the resulting plasma parameters, continues to spread from the surrounding electrodes.

Bei dem so erzeugten Atmosphärenplasma sind die Teilchendichten der Neutralgase, Radi­ kale und Ladungsträger um mehrere Größenordnungen gegenüber bekannten mbar- Plasmen gesteigert. Das hat zur Folge, daß die Stromdichte der Ladungsträger auf die Elektroden ebenfalls um mehrere Größenordnungen gesteigert ist, was eine bis an die thermische Belastungsgrenze der Elektroden gehende Wärmebelastung zur Folge hat. Wird ein DC-Plasma zwischen den Elektroden erzeugt, beträgt die Ionenenergie auf der Katode 100-500 eV, was verbunden mit der hohen Ionenstromdichte zu einem die Elektrode zerstörenden Leistungseintrag führen kann. Bei Hochfrequenzplasmen ist die Energie der auf die Elektroden auftreffenden Ionen durch die sich aufbauende Bias-Spannung be­ stimmt und im Vergleich zu DC-Plasmen um ein bis zwei Größenordnugen kleiner. Des­ halb werden vorteilhaft Hochfrequenzspannungen mit Frequenzen zwischen 1-300 MHz zum Erzeugen von Atmosphärenplasmen an die Elektroden angelegt, wenn die Elektroden größere Flächen mit langen Plasmabetriebszeiten für industriellen Einsatz darstellen sollen. Um größere Plasmaflächen zu erzeugen, werden statt zwei Elektroden Gruppen von sich paarweise mit dem geforderten Abstand gegenüberstehenden Elektroden als Elektrodensy­ steme aufgebaut, an die jeweils die Hochfrequenzspannung angelegt wird. Der Rand der Elektrodensysteme am Plasmaspalt kann geradenförmig sein oder auch mit einem sich pe­ riodisch wiederholenden Muster gestaltet sein. Der Abstand der Elektroden kann im Elek­ trodensystem unterschiedlich oder vorteilhafterweise gleich sein.In the atmospheric plasma generated in this way, the particle densities of the neutral gases are radi cal and charge carriers by several orders of magnitude compared to known mbar Plasmas increased. This has the consequence that the current density of the charge carriers on the Electrodes is also increased by several orders of magnitude, which is one to the thermal load limit of the electrodes resulting heat load. Becomes generated a DC plasma between the electrodes, the ion energy is on the cathode 100-500 eV, which is connected with the high ion current density to one the electrode destructive performance input. With high-frequency plasmas, the energy is ions impinging on the electrodes due to the build-up bias voltage true and compared to DC plasmas one to two orders of magnitude smaller. of High-frequency voltages with frequencies between 1-300 MHz are advantageous applied to the electrodes to generate atmospheric plasmas when the electrodes should represent larger areas with long plasma operating times for industrial use. In order to generate larger plasma areas, groups are separated from each other instead of two electrodes pairs of electrodes facing each other with the required distance as an electrode system systems, to which the high-frequency voltage is applied. The edge of the Electrode systems at the plasma gap can be straight or even with a pe periodically repeating patterns. The distance between the electrodes can be trode system be different or advantageously the same.

Die Elektrodensysteme können aus einzelnen mechanisch hergestellten Elektroden und dazwischen befindlichen Isolatoren zusammengesetzt werden oder als strukturiertes Schichtsystem auf einem isolierenden Träger aufgebracht sein. Die aus einem elektrisch gut leitfähigen Material hergestellten Elektroden können mit einer isolierenden Schicht bis etwa 10 µm Dicke versehen sein, um beim Einsatz reaktiver Gase gegen plasmachemischen Ab­ trag inerte Elektrodensysteme zu erzeugen.The electrode systems can consist of individual mechanically produced electrodes and insulators in between can be assembled or as structured Layer system can be applied to an insulating support. The one from an electrically good Electrodes made of conductive material can be coated with an insulating layer up to about 10 microns thick to be provided when using reactive gases against plasma chemical Ab inert inert electrode systems.

Um den Ausgang eines Hochfrequenzgenerators leistungsangepasst und auf die Betriebs­ frequenz abgestimmt an die Impedanz der Elektrodenanordnung mit dem erzeugten Plasma anzuschließen, wird ein Hochfrequenzanpassungsnetzwerk zwischen Generator und Elektrodensystem geschaltet. Sollen größere industriell nutzbare Elektrodensysteme so betrieben werden, kann die Impedanz des Elektrodensystems außerhalb des Anpassungs­ bereich einen Hochfrequenznetzwerks liegen. Zur erfindungsgemäßen Lösung dieses Pro­ blems gibt es mehrere Wege:
In order to connect the output of a high-frequency generator to the operating frequency and match the operating frequency to the impedance of the electrode arrangement with the generated plasma, a high-frequency matching network is connected between the generator and the electrode system. If larger, industrially usable electrode systems are to be operated in this way, the impedance of the electrode system can lie outside the adaptation range of a high-frequency network. There are several ways to solve this problem according to the invention:

  • 1. Unterteilung der gesamten Plasmaanordnung in Gruppen, die jeweils mit einem sepa­ raten Hochfrequenznetzwerk und Generator versehen sind, so dimensioniert, daß jede Gruppe hochfrequenztechnisch anpassbar ist.1. Division of the entire plasma arrangement into groups, each with a sepa High frequency network and generator are provided, dimensioned so that each Group is radio frequency customizable.
  • 2. Unterteilung der gesamten Plasmaanordnung in Gruppen, die mit vorteilhafterweise in oder an der Elektrodenanordnung integrierten Zwischennetzwerken ausgestattet sind, die die dann an einem Hauptanpassungsnetzwerk zusammenzuführenden Teilimpe­ danzen so verändern, daß die Gesamtimpedanz der Anordnung am Hauptanpassungs­ netzwerk im Anpassungebereich liegt.2. Subdivision of the entire plasma arrangement into groups, which advantageously with or intermediate networks integrated on the electrode arrangement, the partial vaccine to be brought together on a main adaptation network dances change so that the total impedance of the arrangement at the main match network is in the adjustment area.

Die Zuführung der Hochfrequenzspannung über diese Netzwerke kann asymmetrisch oder symmetrisch bzgl. Masse erfolgen (asymmetrische oder symmetrische Netzwerke).The supply of the high frequency voltage over these networks can be asymmetrical or symmetrical with respect to mass (asymmetrical or symmetrical networks).

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden großflächige Plasmaquellen geschaffen, die bei Bewahrung der Vorteile von konventionellen Hochfrequenzgasentladungen für die Dünnschichttechnik, im Atmosphärendruckbereich arbeitende Plasmaquellen ergeben. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektrodensysteme zur Plasmaerzeugung und durch den Betrieb des Plasmas mit Hochfrequenz kommt es nicht zu gleichspannungsbe­ dingten Instabilitäten im Plasma (Übergang Bogenentladung). Die thermische Belastung der Elektrodensysteme kann im Gegensatz zu Atmospärendruckgleichspannungsentladun­ gen auf Werten gehalten werden, die auch bei großflächiger Plasmaerzeugung vom Elek­ trodensystem als Wärme abgeleitet werden können. Durch Anwendung eines Modulkon­ zepts (Unterteilung des Gesamtplasmas in einzelne, hochfrequenztechnisch beschaltbare Module) können im Prinzip beliebig große Plasmaflächen zusammengestellt werden.The arrangement according to the invention creates large-area plasma sources, that while preserving the benefits of conventional high frequency gas discharges for the Thin-film technology, plasma sources operating in the atmospheric pressure range result. The inventive arrangement of the electrode systems for plasma generation and the operation of the plasma with high frequency does not lead to DC voltage induced instabilities in the plasma (transition from arc discharge). The thermal load the electrode systems can, in contrast to atmospheric pressure direct voltage discharge conditions are kept at values which are also from the elec electrode system can be dissipated as heat. By using a module con zepts (subdivision of the total plasma into individual, high-frequency switchable In principle, modules of any size can be put together.

Teil Bpart B Beispielbeschreibungexample Description

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zehn in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below with reference to ten in the schematic drawings illustrated embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1: ein Elektrodensystem aus:
a) einem Paar streifenförmiger Elektroden angeschlossen an einen HF-Generator (An­ ordnung (11)),
b) zwei kammförmig ineinander geschachtelten Elektrodengruppen angeschlossen an einen HF-Generator (Anordnung (12)),
c) zwei kammförmig ineinander geschachtelten Elektrodengruppen angeschlossen an einen HF-Generator über ein Anpassungsnetzwerk (Anordnung (13)),
Fig. 1: an electrode system consisting of:
a) a pair of strip-shaped electrodes connected to an HF generator (to order ( 11 )),
b) two comb-shaped nested electrode groups connected to an HF generator (arrangement ( 12 )),
c) two comb-shaped nested electrode groups connected to an HF generator via an adaptation network (arrangement ( 13 )),

Fig. 2: die Gestaltung des Rands der Elektroden am plasmaerzeugenden Spalt als glatter paralleler Rand oder als gleichsinnig oder gegensinnig versetzte Zackenlinie, Fig. 2: the design of the edge of the electrodes on the plasma generating gap as a smooth edge parallel or in the same direction or in opposite directions offset angular line,

Fig. 3: die Draufsicht und Querschnitt eines plasmaerzeugenden Elektrodensystems auf­ gebaut aus:
a) Einzelteilen, d. h. elektrisch leitfähigen Elektroden und isolierenden Zwischenisolatoren (Anordnung (31)),
b) mit Dünnschicht- oder Dickschichttechnologie auf einem Träger aufgebrachtes Elek­ trodensystem (Anordnung (32)),
Fig. 3 is a plan view and cross section of a plasma generating electrode system on built from:
a) individual parts, ie electrically conductive electrodes and insulating intermediate insulators (arrangement ( 31 )),
b) with thin-layer or thick-layer technology electrode system applied to a carrier (arrangement ( 32 )),

Fig. 4: den Anschluß mehrere Elektrodensysteme über ein Anpassungsnetzwerk an einen HF-Generator, FIG. 4 shows the connection of a plurality of electrode systems via a matching network to an RF generator,

Fig. 5: den Anschluß mehrerer Elektrodensyteme über jeweils ein Anpassungsnetzwerk an jeweils einen Hochfrequenzgenerator, FIG. 5 shows the connection of several Elektrodensyteme via a respective matching network to a respective high-frequency generator,

Fig. 6: den Anschluß und Erzeugung einer bzgl. Masse symmetrischen HF-Spannung an einem Elektrodensystem, . FIG. 6 shows the connection and generating a mass related symmetrical RF voltage to an electrode system

Fig. 7: den Anschluß und Erzeugung einer bzgl. Masse asymmetrischen HF-Spannung an einem Elektrodensystem, . FIG. 7 shows the connection and generating a mass related asymmetric RF voltage to an electrode system

Fig. 8: ein zusätzliches integriertes Anpassungsnetzwerk direkt am Elektrodensystem zur Impedanztransformation auf Anschlußwerte des Hauptanpassungsnetzwerks, FIG. 8 shows an additional integrated matching network directly on the electrode system for impedance transformation to terminal values of the main matching network,

Fig. 9: die Darstellung verschiedener Varianten von integrierten Anpassungsnetzwerken nach Fig. 8:
a) Verminderung der kapazitiven Last einer Teilgruppe des Elektrodensystems durch eine Reiheninduktivität (Anordnung (91)),
b) Verminderung der kapazitiven Last einer Teilgruppe des Elektrodensystems durch eine Reihenkapazität (Anordnung (92)),
Fig. 9 shows the representation of different variants of integrated matching networks of Fig. 8:
a) reduction of the capacitive load of a subgroup of the electrode system by means of a series inductance (arrangement ( 91 )),
b) reduction of the capacitive load of a subgroup of the electrode system by means of a series capacitance (arrangement ( 92 )),

Fig. 10: die Darstellung eines integrierten Anpassungsnetzwerkes nach Fig. 8 mit integrier­ ten Übertragern deren Primärseiten in Reihe geschaltet sind. Fig. 10: the representation of an integrated adaptation network according to Fig. 8 with integrated transformers whose primary sides are connected in series.

Die konkrete Funktionsweise der Erfindung wird anhand von Fig. 1 erläutert. An zwei strei­ fenförmige Elektroden (15) mit einer typischen Breite von 0.2-2 mm und einem typi­ schen Abstand von 0.05-0.5 mm wird eine Hochfrequenzspannung mittels eines Gene­ rators angelegt (Anordnung (11)). Zwischen den Elektroden befindet sich ein Gas bei At­ mosphärendruck vorzugsweise ein Edelgas wie Helium. Sobald durch die Hochfrequenz­ spannung eine ausreichende hohe elektrische Feldstärke erzeugt ist (typische Werte von 1000 V/mm), zündet zwischen den Elektroden ein Plasma.The specific functioning of the invention is explained with reference to FIG. 1. A high-frequency voltage is applied to two strip-shaped electrodes ( 15 ) with a typical width of 0.2-2 mm and a typical distance of 0.05-0.5 mm by means of a generator (arrangement ( 11 )). A gas at atmospheric pressure is preferably an inert gas such as helium between the electrodes. As soon as a sufficiently high electrical field strength is generated by the high-frequency voltage (typical values of 1000 V / mm), a plasma ignites between the electrodes.

Die so zu erreichenden Plasmaabmessungen können zwar in einer Dimension (Länge der Elektroden) bis zu einigen hundert Millimeter betragen, die Breite des Plasmas und damit die für Bearbeitungszwecke zur Verfügung stehende Plasmafläche ist dagegen durch den bei Atmosphärendruck kleinen Elektrodenabstand bestimmt. Diesen Nachteil weist die Anordnung (12) nicht mehr auf, bei der ein Elektrodensystem aus alternierend beschalteten Elektroden (16 und 17) gleicher Abmessungen wie in Anordnung (11) eingesetzt wird. Alle Spalte zwischen den Elektroden mit Abmessungen von 0.05-0.5 mm erzeugen ein Plas­ ma, welches je nach Breite der Elektroden und Rekombinationsverhalten der Ladungsträ­ ger im ionisierten Gas eine mehr oder weniger homogene Plasmafläche über dem Elektro­ densystem ergibt.The plasma dimensions to be achieved in this way can be up to a few hundred millimeters in one dimension (length of the electrodes), but the width of the plasma and therefore the plasma area available for processing purposes is determined by the small electrode spacing at atmospheric pressure. The arrangement ( 12 ) no longer has this disadvantage, in which an electrode system comprising alternately connected electrodes ( 16 and 17 ) of the same dimensions as in arrangement ( 11 ) is used. All gaps between the electrodes with dimensions of 0.05-0.5 mm generate a plasma which, depending on the width of the electrodes and the recombination behavior of the charge carriers in the ionized gas, results in a more or less homogeneous plasma area over the electrode system.

Die Elektrodensysteme der Anordnungen (11) und (12) werden von einem Hochfrequenz­ generator (14) gespeist. Hierfür können Generatoren mit Frequenzen von 1-100 MHz eingesetzt werden. Vorteilhafterweise werden die ISM-Frequenzen 13.56 MHz oder 27.12 MHz verwendet. Durch die beschriebene Elektrodenanordnung entstehen schon bei ver­ hältnismäßig kleinen Plasmaflächen Lastkapazitäten, die die Zwischenschaltung eines An­ passungsnetzwerks wie in Anordnung (13) gezeigt, erfordern. Gleichzeitig dient das Anpas­ sungsnetzwerk der Leistungsanpassung zwischen Generator (14) und Elektrodenanord­ nung.The electrode systems of the arrangements ( 11 ) and ( 12 ) are fed by a high-frequency generator ( 14 ). Generators with frequencies of 1-100 MHz can be used for this. The ISM frequencies 13.56 MHz or 27.12 MHz are advantageously used. Due to the described electrode arrangement, load capacities arise even with relatively small plasma areas, which require the interposition of a matching network as shown in arrangement ( 13 ). At the same time, the adaptation network serves to adapt the power between the generator ( 14 ) and the electrode arrangement.

Die Spalte zwischen den in Fig. 1 beschriebenen Elektroden können z. B. Spalte zwischen parallel angeordneten Blechen sein. Sie können aber auch von ebenen Elektroden (z. B. Schichtstrukturen auf einem Träger) gebildet werden. Für beide diese Varianten existieren unterschiedliche Möglichkeiten der Ausformung des linien- oder flächenförmigen Rands des plasmaerzeugenden Spalts, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.The gaps between the electrodes described in Fig. 1 can e.g. B. Gaps between sheets arranged in parallel. However, they can also be formed by flat electrodes (e.g. layer structures on a carrier). For both of these variants there are different possibilities for shaping the line-shaped or sheet-like edge of the plasma-generating gap, as is shown schematically in FIG. 2.

Anordnung (21) zeigt einen Spalt zur Erzeugung des Plasma (24) mit ebenem Rand, die Anordnungen (22) und (23) zeigen unterschiedliche Ausformungen des Rands mit einem zackenförmigen Muster in einmal gleichsinniger Weise (Elektrode (27)) oder in gegensinni­ ger Weise (Elektroden (26)). Arrangement ( 21 ) shows a gap for generating the plasma ( 24 ) with a flat edge, the arrangements ( 22 ) and ( 23 ) show different shapes of the edge with a jagged pattern in the same direction (electrode ( 27 )) or in opposite directions Way (electrodes ( 26 )).

Fig. 3. zeigt zwei prinzipielle Möglichkeiten die Elektrodensysteme aufzubauen. Jeweils in der Drauf und in der Seitenansicht sind eine Anordnung (31) aufgebaut aus einzelnen Elektrodensytemen (16 und 17) mit Zwischenisolatoren (33) und eine Anordnung (32) mit in Schichttechnik hergestellten Elektrodensystemen (35 und 36) auf einem isolierenden Träger (34) gezeigt. Über beiden Anordnungen kann sich das Plasma (24) flächenförmig ausbilden. Die Dicke des Plasmas über der erzeugenden Eleektrodenfläche ist in der Regel gering und beträgt 0.1 bis 2 mm. An die Elektrodensysteme wird der Hochfrequenzgene­ rator (14) mit den Zuleitungen (37) angeschlossen. Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn der Generator wie in Fig. 1 gezeigt über ein Anpassungsnetzwerk angeschlossen wird. Die Elektroden (31) oder wie in Fig. 2 gezeigt das Dünnschichtelektrodensystem (32) kön­ nen mit einer isolierenden Schutzschicht aufgebaut werden. Es kann trotzdem ein Plasma erzeugt werden solange der kapazitive Widerstand des durch die Elektrodenschicht gebil­ deten Kondensators bei der gegebenen Frequenz f einen Spannungsabfall von maximal 10% der Betriebsspannung nicht überschreitet. Dies ist erfüllt solange die Schichtdicke dieser Schichten dmax kleiner ist als:
Fig. 3. shows two basic ways to build up the electrode systems. An arrangement ( 31 ) made up of individual electrode systems ( 16 and 17 ) with intermediate insulators ( 33 ) and an arrangement ( 32 ) with electrode systems ( 35 and 36 ) produced in layer technology on an insulating support ( 34 ) shown. The plasma ( 24 ) can form a surface over both arrangements. The thickness of the plasma over the generating electrode surface is usually small and is 0.1 to 2 mm. The high-frequency generator ( 14 ) with the feed lines ( 37 ) is connected to the electrode systems. An advantageous solution is obtained if the generator is connected via an adaptation network, as shown in FIG. 1. The electrodes ( 31 ) or, as shown in FIG. 2, the thin-film electrode system ( 32 ) can be constructed with an insulating protective layer. A plasma can nevertheless be generated as long as the capacitive resistance of the capacitor formed by the electrode layer at the given frequency f does not exceed a voltage drop of at most 10% of the operating voltage. This is fulfilled as long as the layer thickness of these layers d max is less than:

Dabei bedeuten:
ΔU - maximal tolerierbarer Spannungsabfall an der Schicht,
f - Frequenz,
ε0, ε - absolute bzw. relative Dielektrizitätskonstante,
j - Stromdichte.
Here mean:
ΔU - maximum tolerable voltage drop across the layer,
f - frequency,
ε 0 , ε - absolute or relative dielectric constant,
j - current density.

Bei typischen Werten von ΔU = 5 V, f = 50 MHz, ε = 3 und j = 50 mAcm-2 ergibt sich eine Grenzschichtdicke von ca. 20 µm. Durch Wahl von z. B. Siliziumdioxid oder Aluminiu­ moxid als Schutzschicht kann eine beträchtliche plasmachemische Passivierung des Elek­ trodensystems gegen ätzende Plasmen erreicht werden.With typical values of ΔU = 5 V, f = 50 MHz, ε = 3 and j = 50 mAcm -2 , there is a boundary layer thickness of approx. 20 µm. By choosing z. B. silicon dioxide or aluminum oxide as a protective layer, a considerable plasma chemical passivation of the electrode system against corrosive plasmas can be achieved.

Mit den in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigten Anordnungen können bis etwa 50 × 50 mm2 Plas­ mafläche in Abhängigkeit von Gasart und Gestaltung der Elektrodensysteme aufgebaut werden. Industrielle Anlagen erfordern aber wesentlich größere Plasmaflächen (z. B. 50 × 1000 mm2). Plasmaflächen solcher Abmessungen werden vorteilhafterweise durch Anein­ anderreihen von modulartigen Elektrodensystemen wie in Fig. 1 - Fig. 3 gezeigt, aufgebaut. Jedes Modul benötigt Hochfrequenzleistungen im Bereich von 100 W. Dabei treten zwei schaltungstechnische Problem auf:
With the arrangements shown in Fig. 1 to Fig. 3 can be built up to about 50 × 50 mm 2 plasma area depending on the type of gas and design of the electrode systems. However, industrial plants require much larger plasma areas (e.g. 50 × 1000 mm 2 ). Plasma surfaces of such dimensions are advantageously carried Anein other rows of modular electrode systems as in Fig. 1 - Fig. 3 is shown constructed. Each module requires high-frequency power in the range of 100 W. There are two circuit problems:

  • a) Es werden insgesamt Hochfrequenzleistungen im kW-Bereich benötigt, die von einem oder mehreren Generatoren aufgebracht und an die Elektrodensysteme verteilt werden müssen,a) A total of high-frequency power in the kW range is required, which by a or several generators are applied and distributed to the electrode systems have to,
  • b) Die Gesamtimpedanz einer solchen Anordnung erfordert besonders dimensionierte Anpassungsnetzwerke oder übersteigt die schaltungstechnischen Möglichkeiten solcher Netzwerke.b) The total impedance of such an arrangement requires specially dimensioned Adaptation networks or exceeds the circuitry possibilities of such Networks.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung (41), bei der mehrere Plasmamodule aus Elektrodensystemen (42) mittels eines Anpassungsnetzwerks (43) über elektrische Anschlüsse (37) zusammenge­ fasst werden, um von einem leistungsstarken Generator (14) betrieben werden zu können. Fig. 5. zeigt eine Anordnung (51) bei der die Probleme a) und b) dadurch gelöst werden, daß zu jedem plasmaerzeugenden Elektrodensystem (52) ein darauf abgestimmtes Netz­ werk (53) und ein Generator (14) gehören. Vorteilhafterweise entsteht so eine Anordnung (51) bei der die Intensität des Plasmas (z. B. zur Homogenitätskontrolle) in den einzelnen Plasma-Generator-Modulen (55) separat eingestellt werden kann. Fig. 4 shows an arrangement ( 41 ) in which several plasma modules from electrode systems ( 42 ) by means of an adaptation network ( 43 ) via electrical connections ( 37 ) are summarized in order to be operated by a powerful generator ( 14 ). Fig. 5. shows an arrangement ( 51 ) in which the problems a) and b) are solved in that for each plasma-generating electrode system ( 52 ) a coordinated network ( 53 ) and a generator ( 14 ) belong. This advantageously results in an arrangement ( 51 ) in which the intensity of the plasma (for example for homogeneity control) can be set separately in the individual plasma generator modules ( 55 ).

In allen bisher dargestellten Plasmageneratoren bei Atmosphärendruck besteht das Pro­ blem, daß einerseits im atmosphärischen Gas ein Plasma erzeugt werden soll, andererseits parasitäre Nebenentladungen durch Isolatoren oder durch Gasstrecken deren Gasweg groß gegen die Abmessungen der plasmaerzeugenden Spalte sein muß, vermieden werden müs­ sen. Vorteilhaft ist hierbei die in Fig. 6 dargestellte Anordnung (65), bei der im an den Ge­ nerator (14) angeschlossenen Netzwerk (63) eine bzgl. Masse (64) symmetrische Hochfre­ quenzspannung erzeugt wird. Damit liegt zwischen den Zuleitungen und den sie umgeben­ den Masseteilen stets nur der halbe Wert der Hochfrequenzspannung an, der zum Erzeu­ gen des Plasma benötigt wird. Nur zwischen den Elektroden des Elektrodensystems wird der volle Spannungswert erreicht und das Plasma erzeugt.In all previously shown plasma generators at atmospheric pressure, there is the problem that, on the one hand, a plasma is to be generated in atmospheric gas, on the other hand parasitic secondary discharges through insulators or through gas paths whose gas path must be large against the dimensions of the plasma-producing column must be avoided. It is advantageous here, the arrangement shown in Fig. 6 (65), a related. Mass (64) symmetrical Hochfre quenzspannung is generated in which in connected to the Ge erator (14) network (63). This means that only half the value of the high-frequency voltage, which is required to generate the plasma, is always present between the leads and the mass parts surrounding them. The full voltage value is only reached between the electrodes of the electrode system and the plasma is generated.

Fig. 7. zeigt eine Anordnung (71) bei der das Elektrodensystem (62) mit einem asymmetri­ schen Netzwerk (72) betrieben wird. Eine Elektrodengruppe ist jetzt mit Masse (64) ver­ bunden. Obwohl diese Anordnung die anhand von Anordnung (61) beschriebenen Nach­ teile aufweisen kann, ist sie vorteilhaft, wenn ein einfacher und kostengünstiger Aufbau des Hochfrequenznetzwerks (72) und der Zuleitungen (65) angestrebt wird. Fig. 7. shows an arrangement ( 71 ) in which the electrode system ( 62 ) is operated with an asymmetrical network ( 72 ). An electrode group is now connected to ground ( 64 ). Although this arrangement can have the parts described with reference to arrangement ( 61 ), it is advantageous if a simple and inexpensive construction of the high-frequency network ( 72 ) and the feed lines ( 65 ) is sought.

Wie bereits bei der Beschreibung der Anordnung (41) (Fig. 4) erwähnt, kann die Impedanz eines größeren industriell nutzbaren Elektrodensystems weit außerhalb der Grenzwerte liegen, die z. B. ein Anpassungsnetzwerk auf der Basis eines Pi-Filters kompensieren und anpassen kann. Dieser Fall ist mit der Anordnung (81) in Fig. 8 dargestellt. Um die Impe­ danz des plasmerzeugenden Elektrodensystems (84) an den Netzwerkanschlußklemmen (83) auf akzeptabel Werte zu transformieren, sind in den Zuleitungen zu je einer Gruppe des Elektrodensystems integrierte Zwischennetzwerke (85) angeordnet. Sie dienen der Aufgabe, die zu große Lastkapazität des Elektrodensystems zu verringern.As already mentioned in the description of the arrangement ( 41 ) ( FIG. 4), the impedance of a larger, industrially usable electrode system can lie far outside the limit values which, for. B. can compensate and adapt an adaptation network based on a Pi filter. This case is shown with the arrangement ( 81 ) in FIG. 8. In order to transform the impedance of the plasma-generating electrode system ( 84 ) at the network connection terminals ( 83 ) to acceptable values, integrated intermediate networks ( 85 ) are arranged in the feed lines to each group of the electrode system. They serve the task of reducing the excessive load capacity of the electrode system.

In Fig. 9. sind zwei Anordnungen integrierter Zwischennetzwerke dargestellt. Vorteilhaft können die darin enthaltenen induktiven oder kapazitiven Bauelemente im Fall von Elek­ trodensystemen ausgeführt in Schichttechnik bereits ebenfalls in Schichttechnik mit auf dem Träger des Elektrodensystems integriert werden. Das gesamte Elektrodensystem der Anordnungen (91) oder (92) wird hierzu in Gruppen (93) mit günstigeren Impedanzwer­ ten aufgeteilt, die über eine Induktivität (95) oder eine Kapazität (94) in Reihe jeweils auf die Netzwerkzuleitung (96) geschaltet werden, die zur Anschlußklemme (83) des Haupt­ netzwerks verläuft. Neben den einfachsten Möglichkeiten der Impedanzveränderung durch Induktivitäten oder Kapazitäten können die integrierten Zwischennetzwerke (85) auch komplexere Schaltungen wie Pi-Filter o. ä. enthalten.Two arrangements of integrated intermediate networks are shown in FIG . In the case of electrode systems, the inductive or capacitive components contained therein can advantageously also be integrated in layered technology using layered technology with the support of the electrode system. For this purpose, the entire electrode system of the arrangements ( 91 ) or ( 92 ) is divided into groups ( 93 ) with more favorable impedance values, which are connected in series to the network feed line ( 96 ) via an inductance ( 95 ) or a capacitance ( 94 ), which runs to the terminal ( 83 ) of the main network. In addition to the simplest options for changing impedance through inductances or capacitors, the integrated intermediate networks ( 85 ) can also contain more complex circuits such as pi filters or the like.

Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung der Anpassung mit nur einem Zwischennetzwerk ist in Fig. 10. mit Anordnung (101) gezeigt. Die plasmerzeugenden Elektrodensysteme (84) werden jeweils mit einem Hochfrequenzübertrager im Zwischennetzwerk versehen, dessen Sekundärwicklung (102) vorteilhaft so bemessen ist, daß sie zusammen mit der Kapazität des Elektrodensystems einen abgestimmten Schwingkreis bildet. Zur Leistungsanpassung der einzelnen Plasmalasten an den Hauptstromkreis mit Leitung (104) wird sowohl das Übersetzungsverhältnis der Übertrager auf die Primärspule (103) als auch die Art der Zu­ sammenschaltung der Primärspulen (in Anordnung (101) vorteilhaft in Reihe) genutzt. An­ dere Arten der Zusammenschaltung der Primärspulen wie parallel oder gruppenweise in Reihe und/oder parallel sind möglich.A further possibility of designing the adaptation with only one intermediate network is shown in FIG. 10 with arrangement ( 101 ). The plasma-producing electrode systems ( 84 ) are each provided with a high-frequency transformer in the intermediate network, the secondary winding ( 102 ) of which is advantageously dimensioned such that it forms a coordinated resonant circuit together with the capacity of the electrode system. To adjust the power of the individual plasma loads to the main circuit with line ( 104 ), both the transmission ratio of the transformers to the primary coil ( 103 ) and the type of connection of the primary coils (in arrangement ( 101 ) advantageously in series) are used. Other types of interconnection of the primary coils, such as in parallel or in groups in series and / or in parallel, are possible.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und in den Zeichnungen darge­ stellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination erfindungs­ wesentlich sein. All in the description, the following claims and in the drawings Darge Features can be fiction, both individually and in any combination be essential.  

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1111

, .

1212

, .

1313

, .

2121

, .

2222

, .

2323

, .

3131

, .

3232

, .

4141

, .

5151

, .

6161

, .

7171

, .

8181

, .

9191

, .

9292

, .

101101

Anordnungen
arrangements

1414

Hochfrequenzgenerator
High-frequency generator

1515

Elektrodenpaar
electrode pair

1616

, .

1717

Elektrodengruppe
electrode group

1818

, .

5353

, .

8282

Hochfrequenzanpassungsnetzwerke
RF matching networks

2424

Plasma
plasma

2525

Elektrode mit geradenförmigem Rand
Electrode with a straight edge

2626

Elektroden mit gleichsinnig sägezahnförmigem Rand
Electrodes with the same sawtooth edge

2727

Elektrode mit gegensinnig sägezahnförmigem Rand
Electrode with a sawtooth edge in opposite directions

3333

Zwischenisolator
between insulator

3434

Elektrodenstrukturträger
Electrode structure carrier

3535

, .

3636

Dünnschicht- oder Dickschicht Elektroden­ struktur
Thin film or thick film electrode structure

3737

Hochfrequenz Zuleitungen
High frequency leads

3838

Isolatorschicht
insulator layer

4242

, .

5252

, .

6262

, .

8484

plasmaerzeugende Elektrodensysteme
plasma generating electrode systems

4343

Gruppenanpassungsnetzwerk
Group matching network

5555

Plasma-Generator-Modul
Plasma Generator Module

6363

Hochfrequenzanpassungsnetzwerk mit symmetri­ schem Ausgang
High frequency matching network with symmetrical output

6464

Masseanschluß
earth terminal

7272

Hochfrequenzanpassungsnetzwerk mit asymme­ trischem Ausgang
High frequency matching network with asymmetrical output

8383

Anschlußpunkte
connection points

8585

integriertes Anpassungsnetzwerk
integrated adaptation network

9393

Teilelektrodengruppe
Part electrode group

9494

Kondensator
capacitor

9595

Induktivität
inductance

9696

Leitung
management

102102

Sekundärspule Übertrager
Secondary coil transformer

103103

Primärspule Übertrager
Primary coil transformer

104104

Leitung
management

Claims (21)

1. Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperatur-Plasmas bei Atmosphärendruck bestehend aus zwei Elektrodensystemen, zwischen denen eine Hochfrequenzspannung angelegt wird und die mit dem Plasma erzeugenden Gas gefüllte Abstände zwischen 10­ -1000 µm aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodensysteme insgesamt oder Teile davon mit elektrischen Netzwerken zur Anpassung der Impedanz der Elek­ trodensysteme und der damit erzeugten Plasmen an die Ausgangsdaten von Hochfre­ quenzgeneratoren versehen sind.1. Arrangement for generating a low-temperature plasma at atmospheric pressure consisting of two electrode systems, between which a high-frequency voltage is applied and the gas-filled gas-filled distances between 10 -1000 microns, characterized in that the electrode systems in whole or in part with electrical Networks for adapting the impedance of the electrode systems and the plasmas generated with them to the output data of high-frequency generators are provided. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensystem aus einem parallel angeordneten streifenartigen Elektrodenpaar besteht, das an die Hoch­ frequenz angeschlossen wird.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the electrode system a parallel arranged strip-like pair of electrodes that connects to the high frequency is connected. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensy­ stem aus mehreren Elektrodenpaaren besteht, an die die Hochfrequenz durch Parallel­ schaltung direkt angeschlossen wird.3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the electrode system stem consists of several pairs of electrodes, to which the high frequency through parallel circuit is connected directly. 4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodensy­ steme aus mehreren Elektrodenpaaren bestehen, an die die Hochfrequenz über zusätz­ liche Netzwerkkomponenten angeschlossen wird.4. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the electrode system systems consist of several pairs of electrodes to which the high frequency is added network components is connected. 5. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Elektrodensystem aus Einzelteilen, d. h. aus elektrisch leitfähigen Elektroden und Zuleitungen und aus nicht leitfähigen Zwischenisolatoren aufgebaut ist.5. Arrangement according to claim 1 and one of claims 2, 3 or 4, characterized ge indicates that the electrode system consists of individual parts, i.e. H. made of electrically conductive Electrodes and supply lines and constructed from non-conductive intermediate insulators is. 6. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Elektrodensystem mit Hilfe von Dünnschicht- oder Dickfilm­ technologie auf einem ebenen Träger aufgebracht ist.6. Arrangement according to claim 1 and one of claims 2, 3 or 4, characterized ge indicates that the electrode system using thin film or thick film technology is applied to a flat carrier. 7. Anordnung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensy­ stem mit Hilfe von Dünnschicht- oder Dickfilmtechnologie auf einem geformten oder flexiblen Träger aufgebracht ist.7. Arrangement according to claim 1 and 6, characterized in that the electrode system stem using thin film or thick film technology on a molded or flexible carrier is applied. 8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsspalte der Elektrodensysteme gleichen Abstand aufweisen.8. Arrangement according to claim 1, characterized in that the discharge column Electrode systems have the same distance. 9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsspalte der Elektrodensysteme unterschiedlichen Abstand aufweisen.9. Arrangement according to claim 1, characterized in that the discharge column Electrode systems have different distances. 10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Entla­ dungsspalte der Elektrodensysteme geradenförmig und parallel zueinander sind.10. The arrangement according to claim 1, characterized in that the edges of the discharge gaps of the electrode systems are straight and parallel to each other. 11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Entla­ dungsspalte der Elektrodensysteme in bestimmten periodischen Formen geformt sind. 11. The arrangement according to claim 1, characterized in that the edges of the discharge Formation column of the electrode systems are shaped in certain periodic shapes.   12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den elektrisch leitfähigen Elektrodensystemen und dem Plasma eine isolierende Schicht aufgebracht ist, die eine hohe plasmachemische und plasmaphysikalische Stabilität gegenüber Plasmen mit reaktiven Gasen gewährleistet.12. The arrangement according to claim 1, characterized in that between the electrically conductive electrode systems and the plasma applied an insulating layer which has a high plasma chemical and plasma physical stability Plasmas with reactive gases guaranteed. 13. Anordnung nach Anspruch 1, und einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere auf jeweils einem Träger angeordnete Elektrodensysteme zum Erzeugen größerer Plasmaflächen über Netzwerke an einen Hochfrequenzgene­ rator angeschlossen werden.13. Arrangement according to claim 1, and one of claims 5, 6 or 7, characterized ge indicates that several electrode systems arranged on a carrier for generating larger plasma areas via networks to a high-frequency gene rator can be connected. 14. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere auf jeweils einem Träger angeordnete Elektrodensysteme zum Erzeugen größerer Plasmaflächen über jeweils einen separat leistungsgeregelten Hochfrequenzgenerator mit Anpassungsnetzwerk betrieben werden.14. Arrangement according to claim 1 and one of claims 5, 6 or 7, characterized ge indicates that several electrode systems arranged on a carrier to generate larger plasma areas via a separate power-controlled one High frequency generator can be operated with a matching network. 15. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannung aus dem Generator über ein oder meh­ rere Netzwerke symmetrisch transformiert wird und symmetrisch an die zwei plasma­ erzeugenden von Masse isolierten Elektrodensysteme angelegt wird.15. The arrangement according to claim 1 and one of claims 2, 3 or 4, characterized ge indicates that the high-frequency voltage from the generator over one or more Other networks are transformed symmetrically and symmetrically to the two plasma generating electrode systems insulated from ground. 16. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannung aus dem Generator über ein oder meh­ rere Netzwerke asymmetrisch transformiert wird und asymmetrisch an die zwei plas­ maerzeugenden Elektrodensysteme angelegt wird von denen eines mit Masse verbun­ den sein kann.16. The arrangement according to claim 1 and one of claims 2, 3 or 4, characterized ge indicates that the high-frequency voltage from the generator over one or more other networks is transformed asymmetrically and asymmetrically to the two plas Electrode systems producing ma is created, one of which is connected to ground that can be. 17. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Impedanz des plasmaerzeugenden Elektrodensystems beim Betrieb mit und ohne Plasma von einem externen über zwei Zuleitungen angeschlossenem Hochfrequenz-Netzwerk versorgt werden kann.17. The arrangement according to claim 1 and one of claims 5, 6 or 7, characterized records that the impedance of the plasma generating electrode system during operation with and without plasma from an external one connected via two supply lines High frequency network can be supplied. 18. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Impedanz des plasmaerzeugenden Elektrodensystems beim Betrieb mit und ohne Plasma die Impedanzgrenzwerte eines externen über zwei Zuleitungen angeschlossenen Netzwerks übersteigt und somit die Hochfrequenz-Anpassung zu­ sätzlich über im Elektrodensystem integrierte Hochfrequenz-Netzwerke oder Teile da­ von und über deren schaltungstechnischer Zusammenfassung erfolgt.18. Arrangement according to claim 1 and one of claims 5, 6 or 7, characterized records that the impedance of the plasma generating electrode system during operation with and without plasma the impedance limit values of an external via two supply lines connected network and thus the high-frequency adjustment too additionally via high-frequency networks or parts integrated in the electrode system from and about their circuitry summary. 19. Anordnung nach Anspruch 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die im Elektroden­ system integrierten Netzwerkkomponenten Induktivitäten sind, die die kapazitive Last des zugehörigen Elektrodensystems ganz oder teilweise kompensieren. 19. The arrangement according to claim 1 and 18, characterized in that in the electrodes system-integrated network components are inductors, which are the capacitive load fully or partially compensate for the associated electrode system.   20. Anordnung nach Anspruch 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die im Elektroden­ system integrierten Netzwerkkomponenten Kapazitäten sind, die die kapazitive Last des zugehörigen Elektrodensystems durch Reihenschaltung von Kapazitäten vermin­ dern.20. The arrangement according to claim 1 and 18, characterized in that in the electrodes system-integrated network components are capacities that support the capacitive load reduce the associated electrode system by connecting capacitors in series countries. 21. Anordnung nach Anspruch 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die im Elektroden­ system integrierten Netzwerkkomponenten Übertrager sind, deren Sekundärseite zu­ sammen mit den Kapazitäten der zugehörigen Elektrodensysteme abgestimmte Schwingkreise bilden und deren Übersetzungsverhältnis zur Primärseite zur Leistungs­ anpassung genutzt wird wobei die Primärseiten parallel oder in Reihe oder in be­ stimmten Gruppen parallel und in Reihe geschaltet sind.21. The arrangement according to claim 1 and 18, characterized in that the electrodes system-integrated network components are transformers whose secondary side is too coordinated with the capacities of the associated electrode systems Form resonant circuits and their transmission ratio to the primary side to the power adaptation is used with the primary sides parallel or in series or in be agreed groups are connected in parallel and in series.
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