DE102008018589A1

DE102008018589A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zünden eines Lichtbogens

Info

Publication number: DE102008018589A1
Application number: DE102008018589A
Authority: DE
Inventors: Patrick Grabau; Julius Roch; Volkmar Dr. habil. Hopfe; Ines Dr. Dani
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-11-05
Also published as: CN101983542A; WO2009124542A3; EP2263428A2; US20110108539A1; WO2009124542A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Lichtbogens zwischen einer Anode und in einem Abstand dazu angeordneten Kathode einer für eine Substratoberflächenmodifizierung einsetzbaren Plasmaquelle bei Umgebungsatmosphärenbedingungen. Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand für die Zündung eines Lichtbogens einer Plasmaquelle zu reduzieren und den Zündprozess sicherer zu machen. Bei der Erfindung wird so vorgegangen, dass mittels zweier parallel zur Längsachse zwischen Anode und Kathode angeordneter Elektroden, die an einen Hochspannungsgenerator angeschlosssen und bei der Zündung mit einer hochfrequenten elektrischen Wechselspannung beaufschlagt sind, eine Barriere-Entladung mit einem zugeführten Gas gezündet wird. Dadurch kann dann bei an die Anode und die Kathode angelegter elektrischer Gleichspannung mittels der durch die Barriere-Entladung zwischen Anode und Kathode vorhandenen Ladungsträger ein Lichtbogen gezündet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Lichtbogens zwischen einer Anode und in einem Abstand dazu angeordneten Kathode einer für eine Substratoberflächenmodifizierung einsetzbaren Plasmaquelle bei Umgebungsatmosphärenbedingungen. Dabei kann das mittels eines Plasmabildungsgases und gezündetem Lichtbogen gebildete Plasma über eine Austrittsöffnung auf eine zu modifizierende Substratoberfläche gerichtet. Die Lichtbogenplasmaquelle kann in normaler Umgebung bei Atmosphärendruck betrieben werden, so dass auf ansonsten üblicherweise eingesetzte Vakuum- oder Unterdrucktechnik verzichtet werden kann. Mit einer an sich bekannten Lichtbogenplasmaquelle kann ein großvolumiges Plasma zur Verfügung gestellt werden, so dass eine effektive Modifizierung großer Flächen möglich ist. Substratoberflächen können gereinigt, auf Oberflächen ausgebilde te Schichten entfernt, die Oberfläche geglättet oder aufgerauht werden und es ist auch die Ausbildung von Schichten auf Oberflächen möglich, wenn entsprechend geeignete Gase für die Plasmabildung oder zusätzliche Reaktivgase eingesetzt werden. Die Erfindung kann auch bei anderen Werkstückbearbeitungstechnologien, bei denen ein Plasma sinnvoll genutzt werden kann, eingesetzt werden.
Eine solche Lichtbogenplasmaquelle ist unter anderem in DE 10 2004 015 217 B4 beschrieben. Dabei wird ein Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Kathode gezündet und mit dem Lichtbogen und zugeführtem Gas dann ein Plasma gebildet, das über eine Schlitzdüse austreten und genutzt werden kann. Da Anode und Kathode der Plasmaquelle in einem größeren Abstand zueinander angeordnet sind, ist ein erhöhter Aufwand für die Zündung des Lichtbogens erforderlich.
In EP 0 851 720 B1 wird dazu vorgeschlagen eine kaskadiert aufgebaute Neutrodenanordnung, die mit einem Stapel von Kupferkaskaden und Isolationsmaterial gebildet ist, einzusetzen. Die Neutroden sind zwischen Anode und Kathode angeordnet und können mit einer elektrischen Hochspannung beaufschlagt werden. Mit einer komplexen Zündelektronik wird mit den kurzzeitig als Anoden fungierenden Neutroden stufenweise ein Pilotlichtbogen gezündet, der sukzessive bis auf die Gesamtlänge des zwischen der eigentlichen Anode und Kathode auszubildenden Lichtbogens verlängert wird.
Es liegt auf der Hand, dass der hier erforderliche Aufwand erheblich ist. Außerdem können Fertigungstoleranzen der Neutroden die Plasmaströmung negativ beeinflussen, so dass Plasmainhomogenitäten auftreten können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung den Aufwand für die Zündung eines Lichtbogens einer Plasmaquelle zu reduzieren und den Zündprozess sicherer zu machen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gearbeitet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Zünden eines Lichtbogens zwischen einer Anode und in einem Abstand dazu angeordneten Kathode einer für eine Substratoberflächenmodifizierung einsetzbaren Plasmaquelle bei Umgebungsatmosphärenbedingungen wird der Lichtbogen mit Hilfe von zwei parallel zur Längsachse zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektroden gezündet. Die Elektroden sind an einen Hochspannungsgenerator angeschlossen und werden für die Zündung mit einer hochfrequenten elektrischen Wechselspannung beaufschlagt. Mit einem zugeführten Gas wird eine Barriere-Entladung gezündet. Dadurch kann mit an die Anode und die Kathode angelegter elektrischer Gleichspannung durch die Barriere-Entladung zwischen Anode und Kathode vorhandenen Ladungsträgern der Lichtbogen gezündet werden. Es ist kein vollständig geschlossenes Gehäuse erforderlich, um bestimmte atmosphärische Bedingungen, insbesondere kein bestimmtes Gas mit konstanter Konsistenz oder einen erniedrigten Druck bis hin zum Vakuum einhalten zu können. Es kann bei Umgebungsdruckbedingungen gearbeitet werden.
Für die Zündung der Barriere-Entladung sollte eine elektrische Spannung von mindestens 1 kV, bevorzugt von 5 kV und besonders bevorzugt von 10 kV, mit einer Frequenz von mindestens 5 kHz, bevorzugt 15 kHz eingesetzt werden. Diese Parameter sollten zumindest bis zur Zündung des Lichtbogens aufrechterhalten werden.
Dabei sollte ein inertes Gas, wie Argon eingesetzt werden. Der Volumenstrom dieses Gases sollte zumindest in der Zündphase und für die Barriereentladung bei 10 bis 100 sl/min liegen.
Während der Generierung zumindest jedoch nach vollständig ausgebildeter Barriere-Entladung ist bzw. wird eine elektrische Gleichspannung an Anode und Kathode angelegt, mit der auch der dann gezündete Lichtbogen zwischen der eigentlichen Anode und Kathode der Plasmaquelle aufrechterhalten werden kann. Die elektrische Spannung kann Abhängigkeit des Abstandes zwischen Anode und Kathode gewählt werden. Sie sollte aber bei mindestens 100 V liegen. Bei einem größeren Abstand, also von ca. 300 mm kann eine elektrische Gleichspannung von 500 V eingesetzt werden.
Die für die Ausbildung der Barriere-Entladung eingesetzten Elektroden sind in einem Abstand, der über die gesamte Länge möglichst konstant sein sollte, zueinander angeordnet. Zwischen den Elektroden ist ein Spalt ausgebildet, an dessen beiden Stirnseiten einmal die Anode und an der anderen Stirnseite die Kathode angeordnet sind.
Die Elektroden sollten mit einer dielektrischen, zumindest aber hochohmigen Beschichtung versehen sein, was zumindest an der Seite der Elektroden der Fall sein sollte, die zu der jeweils anderen Elektrode weist. Die Elektroden können stab- oder plattenförmig ausgebildet sein. Ihre Länge sollte so gewählt sein, dass ausreichend Ladungsträger durch die Barriere-Entladung im Raum zwischen Anode und Kathode vorhanden sind. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich die Elektroden in ihrer Länge so zu dimensionieren, dass die Länge dem Abstand von Anode zu Kathode entspricht. Es kann ausreichend sein, die Länge der Elektroden bei mindestens 75% des Abstandes der Anode zur Kathode beträgt. Dabei kann die Barriereentladung über eine Länge von 80% des Abstandes zwischen Anode und Kathode erreicht werden. Dabei kann eine Anpassung der elektrischen Parameter vorgenommen werden, also die hochfrequente elektrische Wechselspannung und/oder die an Anode und Kathode angelegte Gleichspannung entsprechend angepasst sein, um für die Barriere-Entladung und die Zündung des Lichtbogens ausreichende Werte für elektrische Spannung und Leistung zu gewährleisten.
Mit der Erfindung kann der konstruktive Aufbau einer Lichtbogenplasmaquelle erheblich vereinfacht werden. Die Anzahl von Verschleißteilen wird reduziert, da die Elektroden keinem Verschleiß unterliegen. Der Aufwand für Betrieb, Wartung und Reparatur ist deutlich verringert. Es ist keine aufwändige Zündelektronik, wie bei der mit Neutroden versehenen Ausführung erforderlich und es kann auch auf eine Kühlung verzichtet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 in schematischer Form ein Beispiel einer er findungsgemäßen Vorrichtung in zwei Ansichten.
In der oberen Darstellung von 1 wird der prinzipielle Aufbau deutlich. So sind links eine Anode 4 und rechts eine Kathode 5 an den Stirnseiten eines Brennkanals 7 für einen Lichtbogen angeordnet und beide an eine Gleichspannungsquelle 6 angeschlossen. Der Abstand zwischen Anode 4 und Kathode 5 beträgt 300 mm. Es wird eine elektrische Spannung von 500 V angelegt.
An beiden Seiten des Brennkanals 7 sind zwei Elektroden 1 und 2, die parallel zueinander ausgerichtet und in einem Abstand zueinander angeordnet. Sie sind an einen Hochspannungsgenerator 3 angeschlossen und werden mit einer elektrischen Wechselspannung von 10 kV bei einer Frequenz von 15 kHz beaufschlagt. Die Elektroden 1 und 2 sind hier an der Oberfläche, die in Richtung des Brennkanals 7 weist, mit einer dielektrischen Beschichtung 8 versehen ist.
Aus der unteren Darstellung von 1 geht hervor, wie Argon als Plasmagas 9 in den Brennkanal 7 eingeführt wird. Es kann für die Barriereentladung und ggf. später bei gezündetem Lichtbogen 11 für die Plasmabildung genutzt werden. Auf die Darstellung von Anode 4 und Kathode 5 ist hier verzichtet worden. Das Spaltmass zwischen den Elektroden 1 und 2 beträgt hier 9 mm. Der Spalt kann aber bei anderen Ausführungen auch schmaler oder breiter sein. Argon wird mit einem Volumenstrom von 40 sl/min zugeführt.
Die elektrische Gleichspannung kann bereits bei Ausbildung/Zündung der Barriere-Entladung angelegt sein. Dies muss aber zumindest dann der Fall sein, wenn die Zündung des Lichtbogens 11 erfolgen soll und durch die Barriere-Entladung ausreichend Ladungsträger im Brennkanal 7 zwischen Anode 4 und Kathode 5 vorhanden sind.
Nach Zündung des Lichtbogens kann die elektrische Wechselspannung abgeschaltet werden. Das gebildete Plasma 10 kann ausgetrieben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004015217 B4 [0002]
- EP 0851720 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Zünden eines Lichtbogens zwischen einer Anode und in einem Abstand dazu angeordneten Kathode einer für eine Substratoberflächenmodifizierung einsetzbaren Plasmaquelle bei Umgebungsatmosphärenbedingungen, bei dem mittels zweier parallel zur Längsachse zwischen Anode (4) und Kathode (5) angeordneten Elektroden (1, 2), die an einen Hochspannungsgenerator (3) angeschlossen und bei der Zündung mit einer hochfrequenten elektrischen Wechselspannung beaufschlagt sind, eine Barriere-Entladung mit einem zugeführten Gas gezündet und dadurch bei an die Anode (4) und die Kathode (5) angelegter elektrischer Gleichspannung mittels der durch die Barriere-Entladung zwischen Anode (4) und Kathode (5) vorhandenen Ladungsträger ein Lichtbogen (11) gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere-Entladung mit einer elektrischen Spannung von mindestens 1 kV gezündet und zumindest bis zur Zündung des Lichtbogens (11) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz für die Barriere-Entladung von mindestens 5 kHz eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zündung ein inertes Gas eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (11) bei einer elektrischen Gleichspannung von mindestens 100 V gezündet und aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (11) über eine Länge von mindestens 150 mm zwischen Anode (4) und Kathode (5) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere-Entladung über eine Länge von mindestens 80%, des Abstandes zwischen Anode (4) und Kathode (5) gezündet und zumindest bis zur Zündung des Lichtbogens (11) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Gaszufuhr mit einem Volumenstrom von mindestens 10 sl/min durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden (1, 2) parallel zueinander und zu einer Längsachse zwischen einer Anode (4) und einer Kathode (5) angeordnet, an einen Hochspannungsgenerator (3) angeschlossen und mit einer elektrischen hochfrequenten Wechselspannung betrieben sind, so dass mit einem in den Spalt zwischen den Elektroden (1, 2) und der Anode (4) und Kathode (5) zuführbares Gas angeregt und eine Barriereentladung ausgebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2) mit einer dielektrischen Beschichtung (8) versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2) stab- oder plattenförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2) eine Länge aufweisen, die mindestens 75 des Abstandes zwischen Anode (4) und Kathode (5) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen den Elektroden (1, 2) eine Austrittsdüse für Plasma (10) bildet.