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Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator mit einer Anode und einer Kathode.
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Derartige Generatoren werden in der Regel mit Gleichstrom betrieben und daher als Gleichstromplasmageneratoren bezeichnet. Sie finden eine breite Anwendung für vielfältige Aufgaben, insbesondere für Beschichtungsaufgaben. Anode und Kathode sind dabei meist koaxial zueinander angeordnet. Dabei ist die Anode in der Regel wassergekühlt. Sie besteht meist aus Kupfer. Die Anode bildet dabei häufig eine Brennkammer, einen Düsenhals und eine Expansionsdüse des Plasmagenerators. Dies entspricht dem in 1 dargestellten Aufbau.
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Bei bekannten Plasmageneratoren mit dem in 1 dargestellten Aufbau strömt Gas in die Brennkammer. Das Gas wird vor dem Düsenhals aufgestaut. Dadurch ergibt sich an der Spitze der Kathode eine reduzierte Strömungsgeschwindigkeit. Im Düsenhals wird das Gas im Lichtbogen aufgeheizt und in der Expansionsdüse entspannt. Aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Kathodenspitze ist die Beimischung von Stoffen, die im Plasma mit der Kathode reagieren oder zu einer Beschädigung der Kathode führen, nicht möglich. Es muss verhindert werden, dass die Kathode brennt oder auflegiert.
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Der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass durch einen Düsenkörper, der zwischen einer Kathodenhalterung und der Anode angeordnet ist, eine Strömung eines Plasmagases erzeugt wird. Dabei wird das Plasmagas zum einen verwirbelt und zum anderen beschleunigt. Diese Strömung schützt die Kathodenspitze vor einer Reaktion mit einem zugeführten Betriebsstoff. Dank dieser Ausgestaltung kann durch einen Zufuhrkanal in der Anode ein Betriebsstoff zugeführt werden, der unter anderen Bedingungen mit der Kathode reagieren würde. Hierzu zählen beispielsweise Sauerstoff, Kohlenstoff sowie sauerstoff- oder kohlenstoffhaltige Verbindungen.
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Im folgenden wird die Richtung, in die sich der durch den Plasmagenerator erzeugte Plasmastrahl ausbreitet, als Ausbreitungsrichtung bezeichnet. Diese Ausbreitungsrichtung gibt eine Richtung des Plasmagenerators vor. Die Längsachse der Kathode, im Bezug auf die die Kathode und die Anode koaxial zueinander angeordnet sind, fällt im wesentlichen mit der Ausbreitungsrichtung zusammen.
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Der Düsenkörper ist koaxial zur Kathode angeordnet. Er befindet sich zwischen der Kathodenhalterung und der Anode. Der Düsenkörper weist einen Innenraum auf. Der Öffnungsquerschnitt dieses Innenraums nimmt in Ausbreitungsrichtung ab. In bevorzugter Weise hat der Innenraum eine konische Form. An der der Kathodenhalterung zugewandten Seite ist der Öffnungsquerschnitt des Innenraums Düsenkörpers größer als an der der Anode zugewandten Seite. Vorteilhafterweise stimmt der Öffnungsquerschnitt des Düsenkörpers an der der Anode zugewandten Seite mit dem Öffnungsquerschnitt des Strömungskanals der Anode an dem in Ausbreitungsrichtung hinteren Ende überein. Durch die Querschnittsverengung des Düsenkörpers in Ausbreitungsrichtung wird das in den Düsenkörper einströmende Plasmagas beim Übergang von dem Düsenkörper in den Strömungskanal der Anode beschleunigt. Der sich in Ausbreitungsrichtung an den Innenraum des Düsenkörpers anschließende Strömungskanal in der Anode unterstützt die Beschleunigung des Plasmagases.
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Das Plasmagas wird in den Innenraum des Düsenkörpers über Plasmagas-Zufuhröffnungen in dem Düsenkörper eingeleitet. Die Plasmagas-Zufuhröffnungen stellen den Mündungsbereich von Plasmagas-Zuführkanälen dar, die in dem Düsenkörper verlaufen. Dabei sind die Plasmagas-Zufuhrkanäle derart ausgerichtet, dass das Plasmagas in einer tangentialen Richtung im Bezug auf die Ausbreitungsrichtung zugeführt wird. Dies führt zu Verwirbelungen beim Zuführen des Plasmagases.
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Während des Betriebs bildet sich in dem Düsenkörper und in einem als Brennraum bezeichneten Abschnitt des Strömungskanals der Anode ein starker Wirbel aus. Gleichzeitig wird das Plasmagas sehr stark axial beschleunigt. Der Gaswirbel baut einen Schutzmantel um die Kathode auf. Dieser Schutzmantel erlaubt es, im heißen Bereich des Plasmabrenners in der Nähe der Kathodenspitze oder des Kathodenansatzes über eine Versorgungsbohrung beliebige Stoffe zuzuführen, ohne dass diese mit der Kathode reagieren. Zugeführt werden können je nach Wahl des Plasmagases feste, flüssige oder gasförmige Stoffe. In dem Brennraum werden die zugeführten Stoffe sehr stark erhitzt und strömen dann aus der Anode in eine sich an die Anode anschließende Beruhigungsstrecke. Anschließend strömt das heiße Plasma in eine Mischkammer, in der zusätzliche Stoffe zugeführt werden können.
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Der Düsenkörper wird auch als Vortex-Düse bezeichnet.
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Das Plasmagas darf nicht mit dem Kathodenwerkstoff reagieren. Im Allgemeinen wird deshalb Argon und/oder Stickstoff, Wasserstoff oder Mischungen aus diesen Gasen als Plasmagas verwendet. Auch andere Edelgase wie zum Beispiel Helium können eingesetzt werden. Der Betrieb mit nur einer Gaskomponente ist auch möglich.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Plasmagenerator eine wassergekühlte Anode, insbesondere aus Kupfer, und eine Kathode aus Wolfram auf. Die Wasserkühlung der Anode ist so gestaltet, dass sehr große Wärmemengen abgeführt werden können.
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Der Plasmagenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass die Kathodenhalterung, die Kathode und die Anode derart miteinander und mit einem Trägerflansch verbunden sind, dass der Plasmagenerator an einem Stück über den Trägerflansch an eine Plasmabehandlungs-Kammer gekoppelt werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Trägerflansch mit mindestens einem Kühlkanal ausgestattet, durch den zur Kühlung Wasser in den Trägerflansch geleitet wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Trägerflansch mit mindestens einem Flansch-Zufuhrkanal ausgestattet, der in die Durchgangsöffnung des Trägerflanschs mündet, und durch den mindestens ein Betriebsstoff in den Plasmastrahl zuführbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Durchgangsöffnung des Trägerflanschs als Mischkammer ausgestaltet.
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Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrenners,
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2 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners,
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3 zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners,
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4 drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners,
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5 Trägerflansch in perspektivischer Ansicht,
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6 viertes Ausführungsbeispiel eines Plasmabrenners,
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7 perspektivische Ansicht eines Plasmabrenners.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Anode 1, einer Kathodenhalterung 2a, einer Kathode 2, einem Düsenkörper 3, einem Zufuhrkanal 4 für Betriebsstoffe (insbesondere Reaktivgas und/ oder Precursor) in der Anode, einem Flansch 5 mit Beruhigungsstrecke, einem Isolator 6, einem Trägerflansch 7 mit Mischkammer und Versorgungseinrichtungen, einer Zufuhr 8 und einem Isolator 9 dargestellt. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Anode einen Strömungskanal auf, dessen Öffnungsquerschnitt sich zunächst in Ausbreitungsrichtung verengt und anschließend aufweitet. Die ovalen Öffnungen an dem dem Isolator 9 zugewandten Ende des Düsenkörpers 3 sind die Plasmagas-Zufuhröffnungen, durch die das Plasmagas in den Düsenkörper 3 einströmt. Die Pfeile deuten an, dass das Plasmagas in tangentialer Richtung einströmt. Die dabei entstehenden Verwirbelungen sind in der Zeichnung durch Pfeile mit gekrümmtem Verlauf angedeutet.
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Der Plasmagenerator gemäß dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Form der Anode 3. Der Öffnungsquerschnitt des Strömungskanals dieser Anode verkleinert sich in Ausbreitungsrichtung. Alle übrigen Komponenten stimmen mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein.
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Der Plasmagenerator gemäß dem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Form der Anode 3. Der Öffnungsquerschnitt des Strömungskanals dieser Anode vergrößert sich in Ausbreitungsrichtung. Alle übrigen Komponenten stimmen mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein.
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In 5 ist der Trägerflansch 7 des ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels gemäß 2, 3 und 4 dargestellt. Der Trägerflansch weist zwei längere Kühlkanäle auf, in die Wasser zur Kühlung eingeleitet werden kann. Die beiden Kanäle sind parallel zueinander. Darüber hinaus weist der Trägerflansch zwei kürzere Flansch-Zufuhrkanäle auf, über die ein weiterer Beschichtungsstoff zugeführt werden kann. Die Kanäle sind alle parallel zueinander.
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Der gesamte Plasmagenerator wird auf dem Trägerflansch montiert, der die Schnittstelle zu einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kammer, beispielsweise einem Beschichtungsraum, bildet. Der Trägerflansch besteht bevorzugt aus Aluminium. Zwischen einem ersten Flansch 5 mit Beruhigungsstrecke und dem Trägerflansch 7 ist ein Isolationsstück 6 montiert, welches dafür sorgt, dass der Plasmagenerator und die nicht dargestellte Kammer elektrisch isoliert sind.
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Die Erzeugung von Siliziumdioxidschichten erfolgt, indem Argon als Plasmagas durch die Vortex-Düse dem Plasma zugeführt wird. Durch die Gaszufuhr 4 wird dem Plasma Sauerstoff beigemischt. In der Mischkammer erfolgt die Zugabe von HMDSO oder eines anderen Siliziumalkohols.
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Der Plasmagenerator ist in der Lage, Plasmafreistrahlen mit vielfältigen Zusammensetzungen zu erzeugen.
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Je nach Beschichtungsaufgabe kann die Anode des Generators mit konvergentem, divergentem oder konvergent-divergentem Düsenverlauf ausgestattet werden. Wichtig ist dabei, dass die Kathode immer vor reagierenden Plasmabestandteilen geschützt wird.
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Durch den Zufuhrkanal in der Anode können Betriebsstoffe in den Plasmastrahl eingeleitet werden, für die eine hohe Temperatur oder Energiedichte notwendig ist. Durch den Flansch-Zufuhrkanal in dem Trägerflansch können Betriebsstoffe in den Plasmastrahl eingeleitet werden, für die eine niedere Temperatur oder Energiedichte ausreichend oder notwendig ist. Es können unterschiedliche oder gleiche Betriebsstoffe zugeführt werden. Die Betriebsstoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anode
- 2a
- Kathodenhalterung
- 2
- Kathode
- 3
- Düsenkörper (Vortex-Düse)
- 4
- Zufuhrkanal für Betriebsstoffe in der Anode (Reaktivgas und/ oder Precursorzufuhr)
- 5
- Flansch mit Beruhigungsstrecke
- 6
- Isolator
- 7
- Trägerflansch mit Mischkammer und Versorgungseinrichtungen
- 8
- Flansch-Zufuhrkanal (Reaktivgas und/ oder Precursorzufuhr in der Mischkammer)
- 9
- Isolator
