DE19960401A1 - Elektrode für Plasmaquelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Plasmaquelle, insbesondere zur Erzeugung einer großflächigen Glimmentladung bei einem Arbeitsdruck zwischen 5 bis 100 mbar. Die Elektrode weist eine drahtförmige Struktur mit einer Breite zwischen 50 und 500 mum auf und ist elektrisch isoliert auf einem gut wärmeleitenden und gekühlten Träger (1) angeordnet. Der Träger (1) kann rohrförmig ausgebildet sein und die Elektrode in Form eines Drahtwerkstoffes oder eines Streifend wendelförmig auf dem rohrförmigen Träger (1) angeordnet sein. Der Abstand der einzelnen Elektrodenwendel zueinander ist größer, als die Breite der jeweils nebeneinander liegenden Dunkelräume, die sich bei der Gasentladung um die Elektrode ausbilden. Die Elektroden können auch bifilar wendelförmig angeordnet sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Plasmaquel­ le nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Nach dem Stand der Technik sind je nach dem vorgesehenen Einsatz eine Vielzahl unterschiedlicher Arten von Elek­ troden für Plasmaquellen bekannt. Im vorliegenden Fall sind Elektroden relevant, die im oberen Druckbereich einer Niederdruck-Gasentladung eingesetzt werden können, ins­ besondere im Bereich zwischen 5 und 50 mbar.

Nach dem Stand der Technik sind in diesem Druckbereich keine für die technische Anwendung relevanten Lösungen bekannt. Die Ursache liegt in den außerordentlich ungüns­ tigen Entladungsbedingungen in diesem Druckbereich.

Die Erzeugung der elektrischen Ladungsträger in einer Glimmentladung erfolgt zu einem wesentlichen Teil durch Sekundäremission von Elektronen, die durch Beschuss mit energiereichen Ionen aus einer Elektrode herausgelöst werden. In Abhängigkeit von Gasdruck, Gasart und Elek­ trodenmaterial gibt es bei der Glimmentladung eine minima­ le, sogenannte normale Stromdichte, bei der die Elektroden vollständig mit einer leuchtenden Entladungswolke überzo­ gen sind. Diese Stromdichte erhöht sich schnell mit dem Druck des Trägergases für die Gasentladung. Unabhängig davon erhöhen sich Brennspannung und Stromdichte der Gasentladung mit steigender Leistungseinspeisung. Der Energieumsatz erreicht an den Elektroden mit wachsendem Druck schnell so hohe Werte, dass sich flächenhaft ausge­ dehnten Elektroden unzulässig erwärmen.

Wenn die Erwärmung so stark wird, dass es zur örtlichen Überhitzung des Elektrodenmaterials kommt, tritt zusätz­ lich zur Sekundäremission eine thermische Emission von Elektronen aus der Elektrode auf. Unter derartigen Bedin­ gungen schlägt die Glimmentladung in eine für viele Anwen­ dungszwecke ungünstige Bogenentladung um. Selbst bei optimierter Wärmeableitung von den Elektroden werden schon bei Druckwerten von wenigen mbar die technischen Grenzen erreicht, an denen eine sinnvolle technische Nutzung der Gasentladung nicht mehr möglich ist. Glimmentladungen im Grobvakuumbereich oberhalb 1 bis 2 mbar werden deshalb für die Plasmabehandlung von Substraten praktisch nicht ge­ nutzt.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Plasmabehandlung großflächiger Substrate, z. B. Folien, Papier und Textilien bekannt. Alle derartigen Verfahren verfolgen das Ziel, dem jeweiligen Material durch die Plasmabehandlung neue Eigenschaften zu verleihen. Andere Verfahren verfolgen das Ziel, das Prozessgas plasmache­ misch umzusetzen. Der Arbeitsdruck des Prozessgases, mit dem das Plasma erzeugt wird, liegt entweder im Normal­ druckbereich oder aus den oben beschriebenen Gründen bei sehr niedrigen Werten im Feinvakuumbereich, obwohl auch im dazwischen liegenden Grobvakuumbereich nützliche Effekte erzielt werden können. Unter bestimmten Voraussetzungen ist eine Plasmabehandlung im Grobvakuumbereich sogar von besonderem Vorteil, z. B. wirkt der Behandlungseffekt bei textilen Flächengebilden, deren Faserstruktur eine be­ stimmte räumliche Dicke aufweist, nur in diesem Druck­ bereich in die gesamte Materialtiefe ein.

Verfahren, die bei normalem Atmosphärendruck arbeiten, erreichen den gewünschten Plasmabehandlungseffekt le­ diglich in einer oberflächennahen Zone der Faserstruktur. Innere Faserbereiche und die Rückseite der textilen Fläche bleiben unvollständig behandelt. Durchsetzt die Plasmaent­ ladung bei entsprechender Anordnung von Entladungselek­ troden die Faser-Verbundmaterialien, so besteht die Gefahr der thermischen Schädigung durch unerwünscht auftretende Bogenentladungen und Entladungsfunken.

Für den Niederdruckbereich gibt z. B. die DE 41 17 332 A1 ein Verfahren zur Behandlung von laufenden Substraten (Leinwand, Kettfäden) mit Hilfe eines elektrischen Entla­ dungsplasmas sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung an. Das Plasma wird durch ein System von Hohlkathoden erzeugt, zwischen denen eine Glimmentladung im Druck­ bereich von etwa 0,8 bis 1,0 mbar brennt. Die Elektroden sind im Reaktor hintereinander in parallelen Reihen längs der Bewegungsrichtung des Substrates in mehreren Gruppen angebracht. Diese Anordnung kann aus den eingangs be­ schriebenen Gründen grundsätzlich nicht oberhalb des Drucks von wenigen mbar betrieben werden. Der Plasmabe­ handlungseffekt ist damit für voluminöse Materialien, die eine erhebliche Behandlungstiefe erfordern, unbefriedi­ gend.

Für viele Anwendungen von Plasma zur Behandlung von Mate­ rialien ist es wünschenswert, dass der Plasmaeffekt nicht nur die sichtbare Oberfläche des Materials, d. h. z. B. die an der Oberseite liegenden Fasern erreicht, sondern im Wesentlichen auch an den Oberflächen der Einzelfasern in der gesamten, räumlichen Tiefe des Faser-Verbundmaterials wirksam wird. Das könnte im Druckbereich zwischen Normal- und Niederdruck bei 5 bis 50 mbar erreicht werden, jedoch ist dafür bisher keine geeignete Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas verfügbar.

Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für eine Plasmaquelle zu schaffen, mit der im Druckbereich zwischen 5 bis 50 mbar eine Gasentladung technisch zuverlässig gezündet und aufrechterhalten werden kann, ohne dass es zur Ausbildung einer Bogenentladung kommt.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die erfindungs­ gemäße großflächige Glimmentladung aus einer Glimmentla­ dung gebildet wird, die sich entlang eines Systems par­ alleler sehr schmaler Elektroden mit drahtförmiger Struk­ tur ausbildet, wobei jede Elektrode isoliert auf einem gut wärmeleitenden und gekühlten Träger angeordnet ist. Dabei kann die Elektrode nach den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche verschiedenartig ausgeformt sein. Die Elektrode kann in vorteilhafter Weise nach Anspruch 2 wendelförmig auf einem rohrförmigen Träger angeordnet sein, wobei der Abstand der einzelnen Wendel zueinander größer ist, als die Breite der jeweils nebeneinander liegenden Dunkelräume, die sich bei der Gasentladung um die Elektrode ausbilden.

In entsprechender Weise würde auch unter die Erfindung fallen, wenn die Elektrode mäanderförmig oder mit einer sonstigen Geometrie auf dem Träger angeordnet ist.

Die einzelne Elektrode kann aus einem Drahtwerkstoff aufgebaut sein oder in seiner Struktur mittels eines Verfahrens zur Schichtherstellung auf dem Träger aufgebaut worden sein.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Arbeitsdruck der Plasmabehandlung gegenüber dem Stand der Technik bis zum Faktor 100 erhöht werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Elektrode kann eine Glimmentladung auch bei Drücken im Bereich zwischen 5 bis 100 mbar dauerhaft und stabil ausgebildet werden, ohne dass Bogenentladungen auftreten.

Die Gesamtoberfläche der Elektrode ist wesentlich geringer als die Oberfläche des Trägers. Durch die geringe Breite der Elektrode bzw. den geringen Durchmesser des Drahtes wird die Gesamtleistung der Gasentladung auch bei großer räumlicher Ausdehnung begrenzt. Die Wärmebelastung der Elektrode, die durch die hohen Arbeitsdrücke entsteht, wird durch einen innigen Wärmekontakt mit dem gekühlten Träger, welcher zwangsläufig auch eine wesentlich größere Oberfläche und Masse als die Elektrode aufweist, sehr wirksam abgebaut. Dadurch wird eine Überhitzung der Elek­ trode vermieden und damit die Ausbildung von unerwünschten Bogenentladungen weitgehend ausgeschlossen.

Bei der erfinderischen Lösung wird grundsätzlich die nach dem Stand der Technik bekannte großflächige Gasentladung über der gesamten Oberfläche einer großflächigen Elektrode vermieden.

Die Erfindung wird nachstehend an drei Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt zugehörig zum Ausführungsbeispiel I in Fig. 1 eine Plasmaquelle mit zwei getrennt auf einem gemeinsamen Träger angeordneten Elektroden. Zugehörig zum Ausführungsbeispiel II zeigt Fig. 2 eine Plasmaquelle mit bifilar auf dem Träger angeordneten Elektroden. Fig. 3 zeigt zugehörig zum Ausführungsbeispiel III eine Plasmaquelle mit spulenförmi­ ger Elektrode in einem elektrischen Schwingkreis.

Ausführungsbeispiel I

Ausführungsbeispiel I zeigt eine Plasmaquelle mit zwei getrennt auf einem gemeinsamen Träger 3 angeordneten Elektroden 1 und 2. Die Elektroden 1 und 2 bestehen dabei aus dünnem Kupferdraht mit einem äußeren Durchmesser von 200 µm, der spulenartig auf dem gemeinsamen Träger 3 aufge­ wickelt ist, wobei der Abstand der Windungen zueinander 2 mm beträgt.

Der Träger 3 besteht aus einem Kupferrohr mit einem äuße­ ren Durchmesser von 6 mm, auf dem jeweils im Bereich der Elektroden 1 und 2 eine elektrisch isolierende Keramik­ schicht 4 ausgebildet ist, damit die Elektroden 1 und 2 gegenüber dem Träger 3 isoliert gelagert sind. Das Kupfer­ rohr wird von Wasser durchströmt und ist damit gekühlt.

Der Träger 3 ist über Vakuumdurchführungen 5 im Boden 6 einer Plasmakammer 7 gehaltert, wobei die Elektroden 1 und 2, elektrische isoliert gegenüber dem Boden 6, mit einer Stromquelle 8 verbunden sind.

Die Anordnung der Elektroden 1 und 2 auf dem Träger 3 ist in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass die Elek­ troden 1 und 2 in die elektrisch isolierende Keramik­ schicht 4 eingebrannt sind. Dadurch sind sie lagestabil und in besonderem Maße mit einem guten Wärmekontakt auf dem Träger 3 angeordnet.

Die Elektroden 1 und 2 sind beispielsweise mit einer Länge von je 30 cm ausgebildet. Beim Betrieb der Einrichtung kann z. B. Wasserstoff mit einem Arbeitsdruck von 50 mbar in die Plasmakammer 7 eingelassen werden. Zur Erzeugung einer Glimmentladung werden die Elektroden 1 und 2 mit der Stromquelle 8 verbunden und eine Spannung zwischen 300 und 400 V bei einem Strom von etwa 3 A angelegt. Dabei bildet sich über die gesamte Länge des Kupferdrahtes der Elek­ troden 1 und 2 eine Glimmentladung, d. h. eine Glimmentla­ dungsstrecke, aus. Zwischen den Elektroden 1 und 2 erfolgt dabei ein Ladungsträgeraustausch, der geeignet ist, ein beliebiges Material, welches im Zwischenraum angeordnet wird, einer Plasmabehandlung auszusetzen.

Die Länge der Elektroden kann erheblich variiert werden. Die Elektroden können auch mit wechselnder Polarität zu einer großflächigen Anordnung zusammengeschaltet werden.

Ausführungsbeispiel II

Zugehörig zum Ausführungsbeispiel II zeigt Fig. 2 eine Plasmaquelle mit bifilar auf dem Träger angeordneten Elektroden. Der mechanische Aufbau entspricht dem im Ausführungsbeispiel I.

Auf einem gekühlten und mit einer isolierenden Schicht ummantelten Träger 15 sind bifilar und in einem jeweiligen Windungsabstand von ca. 5 mm zwei Elektroden 10 und 12 angeordnet, die über ihre Zuleitungen 11 bzw. 13 mit einer Stromquelle 14 verbunden sind. Der Abstand der Elektroden 10 und 12 zueinander ist dann größer als die Breite der Dunkelräume der Glimmentladung um die Elektroden und beträgt ca. 2 mm.

Werden die Elektroden 10 und 12 an eine Spannung gelegt, dann bildet sich eine Glimmentladung in Form einer Glim­ mentladungsstrecke über die gesamte Länge zwischen den bifilar gewickelten Elektroden 10 und 12 aus.

Ausführungsbeispiel III

Fig. 3 zeigt zugehörig zum Ausführungsbeispiel III eine Plasmaquelle mit einem elektrischen Schwingkreis.

Der mechanische Aufbau entspricht wiederum dem in Aus­ führungsbeispiel I. Der um einen Träger 31 gewickelte Draht einer Elektrode 30 ist im elektrischen Sinne eine Spule, die zusammen mit einem Kondensator 32 an einen Hochfrequenzleistungsgenerators 33 geschaltet ist und somit ein Teil eines elektrischen Schwingkreises ist. Die damit über der Spule induzierte HF-Spannung dient als Betriebsspannung für die Glimmentladung.

Claims (9)

1. Elektrode für eine Plasmaquelle, insbesondere zur Erzeugung einer großflächigen Glimmentladung bei einem Arbeitsdruck zwischen 5 bis 100 mbar, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Elektrode (1, 2, 10, 12, 30) eine drahtförmige Struktur mit einer Breite zwischen 50 und 500 µm aufweist und elektrisch isoliert auf einem gut wärmeleitenden und gekühlten Träger (3, 15, 31) an­ geordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3, 15, 31) rohrförmig ausgebildet ist und die Elektrode (1, 2, 10, 12, 30) in Form eines Drahtes wendelförmig auf dem Träger (3, 15, 31) an­ geordnet ist, wobei der Abstand der einzelnen Elek­ trodenwendel zueinander größer ist, als die Breite der jeweils nebeneinander liegenden Dunkelräume, die sich bei der Gasentladung um die Elektrode (1, 2, 10, 12, 30) ausbilden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, auf dem Träger (3, 15, 31) zwei Elektroden (10, 12) bifilar wendelförmig angeordnet sind, wobei der Abstand der Elektroden (10, 12) zueinander größer ist, als die Breite der Dunkelräume, die sich bei der Gas­ entladung um die Elektroden (10, 12) ausbilden.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3, 15, 31) aus einem gut wärmeleitenden Metallrohr besteht, welches eine elektrisch isolierende Beschichtung (4) aufweist, auf der die Elektrode (1, 10, 30) bzw. die Elektroden (2, 12) gehaltert ist bzw. sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht der Elektrode (1, 2, 10, 12, 30) in die elektrisch isolierende Beschichtung (4) eingebrannt ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Me­ tallstreifen bestehen, die mittels eines Verfahrens zur Schichtherstellung auf dem Träger aufgebracht wurden.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrode eine Aneinanderreihung einer Viel­ zahl von elektrisch miteinander verbundenen Bereichen wechselnder Polarität innerhalb einer elektrisch iso­ lierenden Oberfläche mit einem Durchmesser zwischen 50 und 500 µm ist, wobei der Abstand der einzelnen Berei­ che zueinander größer ist, als die Breite der Dunkel­ räume, die sich bei der Gasentladung um die einzelnen Punkte der Elektrode ausbilden.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einzelelektroden in einer großflächigen Anordnung zusammengefasst sind.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Elektrode in Form eines spulenförmigen Wen­ dels als Teil eines elektrischen Schwingkreises mit einer Erregerschaltung zur Erzeugung einer hochfre­ quenten Wechselspannung zusammengeschaltet ist.