DE602004003697T2

DE602004003697T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Glühentladungsplasmas unter atmosphärischem Druck

Info

Publication number: DE602004003697T2
Application number: DE602004003697T
Authority: DE
Inventors: Hindrik Willem De Vries; Yoichiro Kamiyama; Jan Bastiaan Bouwstra; Mauritius Cornelius Maria Van De Sanden; Eugen Aldea; Paul Peeters
Original assignee: Fujifilm Manufacturing Europe BV
Current assignee: FUJI FILM MANUFACTURING EUROPE B.V., TILBURG, NL
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2024-08-14
Also published as: ATE348497T1; EP1626613B1; JP2006080060A; EP1626613B8; EP1626613A1; DE602004003697D1; US7399944B2; US20060081566A1; JP5459923B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern eines Glimmentladungsplasmas und, genauer gesagt, auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern eines Glimmentladungsplasmas in einem Gas oder einem Gasgemisch unter atmosphärischen Bedingungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Atmosphärendruck-Glimm(APG)-Entladen wird in der Praxis unter anderem für zerstörungsfreie Materialoberflächenbehandlung verwendet. Glimmentladungsplasmas sind Plasmas, die eine relativ niedrige Leistungsdichte aufweisen, die im Allgemeinen unter atmosphärischen Druckbedingungen oder in partiellen Vakuumumgebungen erzeugt werden.
Am häufigsten wird das Plasma in einer Plasmakammer oder einem Plasmaentladungsraum zwischen zwei entgegengesetzt parallel angeordneten, beschichteten Elektroden erzeugt. Jedoch kann das Plasma auch durch Verwenden anderer Elektrodenkonfigurationen erzeugt werden, wie etwa z.B. benachbart angeordneten Elektroden. Das Plasma wird in einem Gas oder einem Gasgemisch durch Erregen der Elektroden durch eine AC-Leistungsversorgungseinrichtung erzeugt (wie z.B. in US 2001/0001435 A).
Es wurde untersucht, dass ein stabiles und gleichförmiges Plasma in z.B. reinem Helium oder einem reinen Stickstoffgas erzeugt werden kann. Sobald jedoch Verunreinigungen oder andere Gase oder chemische Verbindungen im ppm-Bereich in dem Gas vorhanden sind, kann die Stabilität des Plasmas signifikant abnehmen. Typische Beispiele von stabilitätszerstörenden Komponenten sind O₂, NO, CO₂, etc.
Instabilitäten in dem Plasma erzeugen entweder ein Plasma mit hoher Stromdichte oder erlöschen das Plasma lokal. Bei einer großen Dichte von Arten und einer hohen Frequenz von Kollisionen in dem Plasma zeigt ein APG eine schnelle positive Rückmeldung. D.h., dass eine zufällige lokale Erhöhung der Ionisierung des Plasmas exponentiell ansteigen wird. Dem entsprechend wird entweder eine Instabilität in einem Plasma mit hoher Stromdichte auftreten, oder das Plasma lokal ausgelöscht. Dieses Phänomen von exponentiellem Anwachsen des Plasmastroms ist als Glühen-zu-Lichtbogen-Übergang bekannt. Als eine Folge tritt eine Bogenentladung auf und das Glimmentladungsplasma kann nicht erhalten werden. Statt dessen wird eine Kombination von faserartiger- und Glimm-Entladung erzeugt.
Faserartige Entladung zwischen parallelen beschichteten Elektroden in der Luft bei atmosphärischem Druck wird verwendet, um Ozon in großen Mengen zu erzeugen. Jedoch ist faserartige Entladung nur begrenzt für eine Oberflächenbehandlung von Materialien anwendbar, da die Plasmafasern dazu neigen zu punktieren, oder die Oberfläche ungleichmäßig zu behandeln, was mit relativ hohen Plasmastromdichten verbunden ist.
Obwohl Instabilitäten zu jeder Zeit während eines Erzeugens eines Plasmas auftreten können, wurde beobachtet, dass die Bedingungen an dem Ende eines (z.B. durch Verwenden einer AC-Spannung erzeugten) Plasmapulses begünstigend für das Auftreten und die Entwicklung von Instabilitäten sind. Am Ende des Plasmaimpulses ist der Plasmastrom relativ niedrig, während die durch die AC-Leistungsversorgung zugeführte Spannung aufgrund der Tatsache, dass die AC-Leistungsversorgung dazu neigt, sich dem Plasmahauptimpuls zu entziehen, sich erhöht. Die Lebensdauer des Plasmas nähert sich in diesem Stadium des Plasmas einem Abschalten an, und der Plasmastrom wird blitzartig abfallen, nachdem kleine Instabilitäten und Plasmaschwankungen auftreten können. Unter dem Einfluss der steigenden Spannung, die sich aus der Ausgleichs-AC-Leistungsversorgung ergeben, können diese Instabilitäten und Plasmaschwankungen leicht zu bedeutenden Plasmainstabilitäten werden, wie etwa Balkenformation und Glimmen-zu-Lichtbogen-Übergang. Diese Bedingungen, ein relativ niedriger und absteigender Plasmastrom, zusammen mit einer steigenden Spannung, erschweren es gleichzeitig, die Instabilitäten zu unterdrücken oder eliminieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern eines Glimm-Entladungsplasmas bereitzustellen, wobei Instabilitäten des Plasmas am Ende eines Plasmaimpulses vermieden und eliminiert werden.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden durch die Erfindung erreicht, bei einem ersten Aspekt derselben, indem ein Verfahren zur Steuerung eines Glimm- Entladungsplasmas in einem Gas oder einem Gasgemisch unter atmosphärischen Bedingungen in einem Plasmaentladungsraum, der mindestens zwei beabstandete Elektroden aufweist, bereitgestellt wird, wobei mindestens ein Plasmaimpuls durch Anlegen einer AC-Plasmaerregungsspannung an den Elektroden erzeugt wird, was einen Plasmastrom und einen Verschiebungsstrom verursacht, wobei der mindestens eine Plasmaimpuls ein absolutes Impulsmaximum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt zum Steuern der Erregungsspannung aufweist, so dass nach dem Impulsmaximum ein relativer Abfall des Verschiebungsstroms geschaffen wird.
Es wurde beobachtet, dass es von großer Bedeutung ist dazu fähig zu sein, das Plasma an dem Ende des Plasmaimpulses zu steuern, d.h. nach dem Impulsmaximum, da das Plasma zu diesem Zeitpunkt besonders instabil ist. Gemäß der Erfindung kann das Plasma effektiv gesteuert werden, und Instabilitäten in dem Plasma können effizient in diesem Stadium seines Existierens durch Bereitstellen eines negativen Verschiebungsstroms unterdrückt und eliminiert werden.
Plasmainstabilitäten können entweder ein lokales Erlöschen des Plasmas verstärken, was einen relativen Abfall des Plasmastroms hervorruft, der nicht proportional zu dem regulären relativen Abfall des Plasmastroms des Hauptimpulses steht, oder zu einer Lichtbogenformation führen, was einen Anstieg von (lokalen) scharfkantigen Erhöhungen des Plasmastroms hervorruft.
Da Glühbogenbildung oftmals das schädlichste Phänomen bei bspw. Oberflächenbehandlungsverfahren ist, wie etwa bei Gasphasenabscheidung und Handhaben von Polymerfilmen für Foto- bzw. Filmindustrie, erhöht das effektive Unterdrücken von Lichtbogenbildung durch die Erfindung die Qualität und Anwendbarkeit des Verfahrens enorm.
Da hier mit einer Wechselspannung gearbeitet wird, ändert sich das Vorzeichen der Amplitude derselben, und ebenso der Verschiebungsstrom von positiv zu negativ und zurück. Im Fall des positiven Halbzyklus oder Periode der Erregungsspannung reduziert ein Abfall des Verschiebungsstroms die Wahrscheinlichkeit von Glühbogenbildung. Folglich kann das Erzeugen der Lichtbogenbildungen am Ende des Plasmaimpulses durch Verringern des Verschiebungsstroms in diesem Zustand des Plasmaimpulses, d.h. nach dem Impulsmaximum, gemäß der Erfindung verhindert werden.
Im Fall des negativen Halbzyklus der Erregungsspannung gilt eine gleiche Erklärung wie vorstehend beschrieben wurde, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen.
Obwohl es ansonsten nachstehend bemerkt wird, wird die Beschreibung der Vorgänge und/oder Maßnahmen zum Stabilisieren des Glimm-Entladungsplasmas gemäß der Erfindung hauptsächlich für den positiven Halbzyklus des Verschiebungsstroms durchgeführt. Eine identische Beschreibung für den negativen Halbzyklus des Verschiebungsstroms kann ebenso durch gegenseitiges Vertauschen der Vorzeichen durchgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Synchronisieren des relativen Abfalls des Verschiebungsstroms und des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum.
Wenn der relative Abfall des Verschiebungsstroms zu früh bereitgestellt wird, kann der Hauptplasmaimpuls ausgelöscht werden, während er sich immer noch z.B. bei einem Oberflächenbehandlungsvorgang befindet. Wenn andererseits der relative Abfall des Verschiebungsstroms zu spät bereitgestellt wird, besteht immer noch die Möglichkeit, dass Plasmainstabilitäten erzeugt werden. Hierbei ist Zeiteinteilung bis zu einem gewissen Ausmaß wichtig, und durch Synchronisieren des relativen Abfalls des Verschiebungsstroms gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Qualität und Effizienz des Verfahrens effektiv verbessert werden.
Ein Beispiel des Vorstehenden kann ein Synchronisieren des relativen Abfalls mit dem Auftreten von Plasmaschwankungen umfassen, wie etwa Bereitstellen des Abfalls des Verschiebungsstroms als Folge auf eine oder mehrere relative Erhöhungen des Plasmastroms.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Verschiebungsstrom durch Steuern der Plasmaerregungsspannung gesteuert. Ein Verändern der Erregungsspannung in Kombination mit einer geeigneten elektronischen Verdrahtung ermöglicht ein Verändern des Verschiebungsstroms. Genauer gesagt, und gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird der relative Abfall des Verschiebungsstroms durch einen relativen Abfall der Plasmaerregungsspannung geschaffen.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Plasmaerregungsspannung so geformt, dass der Verschiebungsstrom im Wesentlichen eine dreieckige Wellenform aufweist. In diesem Fall kann die AC-Spannung so geformt sein, dass der Verschiebungsstrom einen relativen Abfall während der gesamten Periode des Auftretens des Plasmas aufweist, von dem Zeitpunkt an, bevor der Plasmaimpuls startet, zum Zeitpunkt des Starts des Plasmaimpulses, nach dem Impulsmaximum und bis das Plasma vollständig ausgelöscht ist. Es wurde beobachtet, dass die Stabilität des Plasmas dadurch, dass die Steigung des Verschiebungsstroms steiler gemacht wird, verbessert wird, d.h. dI_d/dt. Bevorzugt ist die Steigung des Verschiebungsstroms so geformt, dass sie vor dem Plasmazusammenbruch, bevor der Plasmaimpuls zusammenbricht, maximiert wird, um ein Optimum an möglicher Plasmastabilität zu schaffen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Plasmaerregungsspannung über mindestens ein nichtlineares Element an den Elektroden angelegt. Nichtlineares Verhalten von elektronischen Elementen kann vorteilhaft verwendet werden, um die Schritte der Erfindung durchzuführen, wie etwa das Schaffen des relativen Abfalls des Verschiebungsstroms und/oder zum Steuern der Erregungsspannung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das nichtlineare Element mindestens eine Drosselspule auf.
Es wird angenommen, dass eine Drosselspule als ein nichtlineares Element verwendet werden kann. Eine Drosselspule kann einfach in zahlreichen Konfigurationen installiert werden, und ist relativ billig und leicht verfügbar.
Ein mögliches Verwenden einer Drosselspule bei dem Verfahren der Erfindung und gemäß einem Ausführungsbeispiel davon wird der Betrieb der Drosselspule in einem im Wesentlichen gesättigten Zustand während des Plasmaimpulses und nach dem Impulsmaximum stattfinden. Genauer gesagt kann man darüber nachdenken, den relativen Abfall des Verschiebungsstroms durch Betreiben der Drosselspule so zu schaffen, dass die Induktion der Drosselspule sich bezüglich des Plasmastroms nichtlinear verhält.
Es wird angenommen, dass die Induktivität einer gesättigten Drosselspule viel kleiner als die Induktivität einer ungesättigten Drosselspule ist. In ihrem gesättigten Zustand funktioniert eine Drosselspule hauptsächlich als ein Widerstand, während die Drosselspule in einem ungesättigten Zustand sich wie eine reguläre Induktivität verhält, wobei ihre Änderung des Flusses gegenläufig ist. Nahe dem Sättigungspunkt, an dem der Strom durch die Spule im Wesentlichen gleich dem Sättigungsstrom ist, steigt die Induktivität rapide mit ansteigendem Strom durch die Spule an, und die Induktivität zeigt eine starke nicht lineare Abhängigkeit von dem Strom.
Es wird eine Drosselspule in Betracht gezogen, die in Serie mit einem Paar von Plasmaelektroden verbunden ist und in einem gesättigten Zustand betrieben wird, wenn das Plasma durch verwenden einer AC-Spannung erzeugt wird. Wenn ein positiver Halbzyklus der AC-Spannung in Betracht gezogen wird, wird direkt nachdem der Plasmastrom ein Maximum (Impulsmaximum) erreicht hat, der Plasmastrom wiederum abfallen, wie vorstehend beschrieben wurde, und die AC-Spannung wird dazu neigen, als die AC-Energieversorgungsrückgewinnung von dem Hauptplasmaimpuls erhöht zu werden. Wenn sich der abfallende Strom dem Sättigungspunkt der Spule annähert, wird die Induktivität der Spule nahe dem Sättigungspunkt mit abfallendem Strom erhöht. Als eine Folge wird die Impedanz der Spule ähnlich dem abfallenden Strom ansteigen, und der Spannungsabfall über die Spule steigt an. Der ansteigende Spannungsabfall entspricht einem relativen Abfall des Verschiebungsstroms. Die Drosselspule scheint als ein negativer Widerstand zu arbeiten (steigender Spannungsabfall über die APG-Elektrode bei abfallendem Strom). Als eine Folge des relativen Abfalls des Verschiebungsstroms kann eine Glimmladungserzeugung effektiv in dieser Phase des Plasmaimpulses unterdrückt werden.
Um einen Schwingkreis zu erhalten, ist neben der Drosselspule eine weitere Induktivität angeordnet, z.B. in Serie mit der Drosselspule. Diese andere Induktivität sollte eine höhere Induktivität als die Drosselspule aufweisen. In einem Schwingkreis tendiert der Gesamtstrom an die Leistungsversorgung dazu, die selbe Sinusform und den selben -wert als ohne einem Plasma beizubehalten.
Spannungsschwankungen über die Zeit können dargestellt werden durch: C dV/dt = – Iplasma + I0 sin (ωt + φ) (1)wobei gilt:

I_plasma: = Plasmastrom,
I₀: sin (ωt + φ) = ungestörter Sinusstrom,
V: = Plasmaerregungsspannung,
t: = Zeit,
ω: = Winkelfrequenz von V
φ: = Phasenwinkel.

Wenn folglich der Plasmastrom am Ende des Plasmaimpulslebenszyklus im Vergleich zu dem ungestörten Strom I₀ klein ist, ist ein Erzeugen eines Spannungsabfalls zum Unterdrücken von Instabilitäten nahezu unmöglich. Dies ist der Bereich, der durch Verwenden der gesättigten Drosselspule abgedeckt ist. Eine nichtlinearität der Drosselspule bezüglich Stromschwankungen ist jedoch essentiell.
Bei dem Vorstehenden wird angenommen, dass ein korrektes Dimensionieren einer Drosselspule ebenso eine korrektes Zeiteinteilen des Verfahrens der Erfindung ermöglicht. Die Sättigungseigenschaften der Drosselspule können durch Ändern der ferromagnetischen Eigenschaften und Dimensionen des Kerns gesteuert werden. Ein Zeiteinteilen des Verfahrens der Erfindung kann ebenso durch Verwenden von z.B. einer Phasenschiebereinrichtung, wie etwa einer Impedanzanpassschaltung, einer Induktivität, wie etwa einer Drosselspule, oder anderen Phasenschiebereinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gesteuert werden.
Wenn der Sättigungsstrom einer Drosselspule gegeben ist, der dem Schwellenstrom entspricht, bei dem die Drosselspule gesättigt wird, ist das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsstrom I_d und dem Sättigungsstrom I_sat gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Bereich zwischen 1,0 und 3,0 zumindest von kurz vor dem Plasmazusammenbruch bis während des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum enthalten. Genauer gesagt ist das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsstrom und dem Sättigungsstrom in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,6 in dieser Zeitperiode enthalten. Es wurde beobachtet, dass die Drosselspule mit ihrem Sättigungsstrom innerhalb der vorstehend genannten Bereiche richtig dimensioniert werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zur Steuerung eines Glimmentladungsplasmas in einem Entladungsraum bereitgestellt, der mindestens zwei beabstandete Elektroden, eine Einrichtung zum Zuführen eines Gases oder eines Gasgemischs unter atmosphärischen Bedingungen in dem Entladungsraum, eine Energieversorgung zum Erregen der Elektroden durch Anlegen einer AC-Plasmaerregungsspannung an den Elektroden, um mindestens einen Plasmaimpuls zu erzeugen und einen Plasmastrom und einen Verschiebungsstrom zu verursachen, wobei der mindestens eine Plasmaimpuls ein absolutes Impulsmaximum aufweist, und Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas eingerichtet sind, um die Erregungsspannung so zu steuern, dass nach dem Impulsmaximum ein relativer Abfall des Verschiebungsstroms geschaffen wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Anordnung der Erfindung wird eine Einrichtung zum Synchronisieren des relativen Abfalls des Verschiebungsstroms und des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum bereitgestellt.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Anordnung der Erfindung sind die Einrichtungen zum Steuern des Plasmas eingerichtet, den Verschiebungsstrom durch Steuern der Plasmaerregungsspannung zu steuern.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Anordnung der Erfindung sind die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas eingerichtet, den relativen Abfall des Verschiebungsstroms durch Schaffen eines relativen Abfalls der Plasmaerregungsspannung zu schaffen.
Gemäß der Erfindung sind die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas eingerichtet, die Plasmaerregungsspannung zu formen, z.B. so, dass der Verschiebungsstrom im Wesentlichen eine dreieckige Wellenform aufweist.
Gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung umfasst die Anordnung zumindest ein nichtlineares Element, wobei das zumindest eine nichtlineare Element in Serie zwischen den Elektroden und den AC-Leistungsversorgungsanschlüssen verbunden ist. Das nichtlineare Element kann z.B. eine Drosselspule umfassen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß der Erfindung umfasst das nichtlineare Element mindestens eine Phasenverschiebungsschaltung. Die Phasenverschiebungsschaltung ist angeordnet, den Verschiebungsstrom relativ zu der Erregungsspannung über einen Winkel von kleiner als 90° zu verschieben. Die Phasenverschiebungsschaltung kann eine Impedanzanpassungsschaltung umfassen. Die Phasenverschiebungsschaltung kann in ihrem einfachsten Ausführungsbeispiel eine in Serie mit den Elektroden und den AC-Energieversorgungsanschlüssen verbundene Induktivität umfassen.
Das Gas oder das gasförmige Gemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zumindest eines aus einer Gruppe, welche Helium, Argon, Stickstoff, Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Ammoniak umfasst, und ein Gemisch umfassen, das beliebige der Gase der Gruppe umfasst. Es kann gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ebenso ein Gemisch eines Edelgases und eines chemisch aktiven Gases sein, wie etwa ein Zwischengas für Gasdampfabscheiden.
Die Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine AC-Energieversorgungseinrichtung, die eingerichtet ist, um die Elektroden mit einer Erregungsspannung bei einer Frequenz zwischen 1 kHz und 50 MHz zu erregen.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung können in der Praxis für eine große Bandbreite von Anwendungen verwendet werden, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, eine Einrichtung zum Plasma-Oberflächenbehandeln eines Substrates, wie etwa Oberflächenaktiviervorgänge, wobei das Substrat Glas, Polymer, Metall, etc. sein kann, und für das Erzeugen von hydrophilen oder hydrophoben Oberflächen; eine Plasmaeinrichtung für einen Dampfabscheidungsprozess; eine Plasmaeinrichtung zum Zerlegen von Gasen, die Verunreinigungen von organischen Verbindungen beinhalten; eine Plasmaeinrichtung zum Entfernen giftiger Gemische aus der Gasphase; eine Plasmaeinrichtung für Oberflächenreinigungszwecke, wie etwa bei der Sterilisation oder Trockenreinigungsvorgängen.
Es ist einem Fachmann erichtlich, dass transparente leitfähige Oxide (TCO), z.B. Zinnoxid, Indiumoxid, Indiumzinnoxid(ITO)-Beschichtungen, die durch Sputtern oder atmosphärischem Plasmaabscheiden (ABCVD) beschichtet sind, viele Verunreinigungen, wie Kohlenwasserstoffe oder Hydroxylgruppen und Defekte erzeugen. Diese Verunreinigungen müssen normalerweise in einem Nassreinigungsschritt entfernt werden. Jedoch wird befunden, dass ein Reinigen dieser verunreinigten TCO sehr effektiv durch Verwenden der APG dieser Erfindung durchgeführt werden kann, wie in dem nachstehenden Beispiel erläutert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehend genannten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, wobei gilt:
1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ist eine weitere schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 zeigt die AC-Erregungsspannung, den Plasmastrom und den Verschiebungsstrom eines Plasmas, das durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt wurde;
4A und 4B sind Graphen, die die Lichtintensitätsverteilung über die Zeit für ein durch eine gesättigte Spule erzeugtes Plasma zeigen, in 4A gemäß der Erfindung und ohne Verwenden einer gesättigten Spule, in 4B, gemäß dem Stand der Technik.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine AC-Energieversorgung mit einer Elektrodenkonfiguration 2 verbunden ist, die einen Entladungsraum zum Erzeugen eines Atmosphärendruck-Glimmentladungsplasmas (APG) bildet. In Serie mit der Elektrodenkonfiguration 2 ist ein nichtlineares elektrisches Schaltungselement in Form einer Drosselspule 3 verbunden, die in einem gesättigten Zustand zumindest während eines durch Verwenden der AC- Energieversorgung 1 und insbesondere in der Periode des Lebenszyklus des Plasmas nach seinem Impulsmaximum erzeugten Plasmaimpulses betrieben wird, d.h. an oder nahe dem Ende des Impulses.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine weitere Induktivität oder Abgleichspule 4 in Serie mit der Drosselspule 3 installiert, die in einem ungesättigten Zustand betrieben wird. Die Abgleichspule 4 wird hauptsächlich als Phasenverschiebungseinrichtung verwendet, und kann für diesen Zweck geeignet dimensioniert sein. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Abgleichspule mit einer Induktivität von 0,7 mH zusammen mit einer Ferrit-Drosselspule 3 mit einer Induktivität zwischen 0,1 und 0,2 mH verwendet. Das Ferrit, das bei dieser Drosselspule verwendet wird, ist ein 3S4-Ferrit (MnZn) mit μr = 1700, Hc = 20 A/m, Br = 170 A/m und Bsat = 350 A/m.
Eine Kapazität 5 ist parallel zu der Elektrodenkonfiguration 2 zum Dämpfen von Schwingungen verbunden. Diese Kapazität 5 kann bspw. innerhalb der Streuungskapazität der Elektrodenkonfiguration 2 ausgebildet sein.
Die Effekte der Drosselspule 3 können am Besten beobachtet werden, wenn der Sättigungsstrom der Drosselspule 3 zumindest kleiner als der Verschiebungsstrom der Schaltung von 1 ohne eine Drosselspule 3 ist, die folgendem entspricht: Id, ohne Spule = ω C Vmax (2)wobei:

ω: = Basiswinkelfrequenz der AC-Erregungsspannung,
C: = Kapazität der APG-Elektrodenkonfiguration, und
V_max: = Amplitude der AC-Erregungsspannung.

Der Sättigungsstrom der verwendeten Drosselspule ist bevorzugt größer als 50% des Verschiebungsstroms.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist eine AC-Energieversorgung 10 mit einer Elektrodenkonfiguration 11 verbunden. Eine Drosselspule 12 ist in Serie mit der Elektrodenkonfiguration 11 verbunden. Die Kapazität 15 ist parallel zu der Elektrodenkonfiguration 11 und einer Abgleichspule 16 verbunden. Eine Erdungsdrahtkapazität 14 ist in Serie mit der Elektrodenkonfiguration 11 und parallel mit der Drosselspule 12 verbunden. Diese Erdungsdrahtkapazität 14 ist angeordnet, die der Drosselspule 12 zugeführten Spannung zu verstärken, so dass die Drosselspule 12 einfacher gesättigt werden kann, ohne die Energieversorgung und den Betrieb der Schaltung anzupassen. Ein Widerstand 13 ist in Serie mit der Drosselspule 12 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel von 2 sind die Effekte einer Sättigung der Drosselspule 12 aufgrund des Potentials der unteren Elektrode (Unterseite) der Elektrodenkonfiguration 11 zu berücksichtigen. Sättigung des LC-Kreises, der die Drosselspule 12 und die Erdungsdrahtkapazität 14 enthält, erzeugt große Potentialschwankungen.
3 zeigt einen Graph der Erregungsspannung V, des Plasmastroms I_P und des Verschiebungsstroms I_d über die Zeit t, bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung der in 1 gezeigten Anordnung. Für veranschaulichende Zwecke ist nur die positive erste Hälfte der Erregungsspannung V gezeigt. Ein Plasma wurde gemäß der Erfindung unter folgenden Bedingungen erzeugt: ein LC-Serien-Netzwerk bei 240 kHz wurde mit einer Resonanz- oder Abgleichspule 4 mit einer Induktivität von 2 mh, einer APG-Elektrodenkapazität 5 von 140 pF, einer Drosselspule 3 mit einer Induktivität von 0,7 mH und mit I_d/I_sat = 1,4 verwendet. Das verwendete Gas war Ar + 20% Luft bei atmosphärischem Druck. Um das Risiko von Funkenbildung zu vermeiden, und aus Anpassungsgründen wurde ein gepulstes Plasma mit einem Leistungszyklus von 10% verwendet.
Man kann erkennen, dass ein Plasmaimpuls 17 mit einem absoluten Impulsmaximum erzeugt wird. Nach dem Impulsmaximum 18, d.h. zwischen einer Zeit t von ungefähr 2 und 3 μs, fällt der Plasmastrom I_p ab, was in einer negativen Schleife 19 gezeigt wird. Gemäß der Erfindung tritt bezüglich des Abfalls 19 des Plasmastroms I_p ein relativer Abfall 20 des Verschiebungsstroms I_d auf, der durch die gesättigte Spule 3 verursacht wird. Als eine Folge zeigt der Plasmastrom I_p eine relativ ungestörte Abwärtsschleife 21 ohne scharfe Spitzen oder durch Plasmaglühbögen erzeugte Spitzen, wobei ein gewünschtes stabiles Glimmentladungsplasma geschaffen wird. Für veranschaulichende Zwecke veranschaulicht die unterbrochene Linie 22 den Plasmastrom I_p gemäß dem Stand der Technik, d.h. ohne den Lehren der Erfindung. Man kann eine sehr unregelmäßige Stromwellenform 22 beobachten, was ungewollte Entladungen und dgl. in dem Plasma hervorrufen kann.
In 3 kann man weiterhin sehen, dass in der Zeitperiode von zumindest gerade vor dem Plasmazusammenbruch bis während des Plasmaimpulses 17 dem Impulsmaximum 18 das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsstrom I_d und dem Sättigungsstrom I_sat der Drosselspule 3 in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,6 enthalten ist. Bei diesem Verhältnis weist der Verschiebungsstrom I_d eine im Wesentlichen dreieckige Form auf, außer bei den Regionen, bei denen das Plasma erzeugt wird, und zeigt einen relativen Abfall während der gesamten Periode von vor dem Start des Plasmaimpulses 17, nach dem Impulsmaximum 18, bis das Plasma vollständig ausgelöscht ist. Diese dreieckige Wellenform ist sehr vorteilhaft zum Erhalten eines stabilen Plasma-Zusammenbruchs. Generell wird die Stabilität des Plasmas durch versteilern der Kurve des Verschiebungsstroms, d.h. dI_d/dt, verbessert.
In 3 kann ebenso beobachtet werden, dass bei der Erzeugung des Plasmaimpulses 17, das vor dem Impulsmaximum ist, wo der Verschiebungsstrom I_d als erstes wesentliche abfällt, d.h. zwischen der Zeit t von ungefähr 1 und 2 μs, was durch das Bezugszeichen 23 angegeben wird. Dieser Abfall 23 des Verschiebungsstroms I_d wird durch die (ungesättigte) Abgleichspule 4 ausgelöst. Folglich wird bei der Anordnung der Erfindung, die unter anderem veranschaulichend in den 1 und 2 gezeigt ist, durch korrektes Auswählen der Drosselspule, so dass das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsstrom I_d und dem Sättigungsstrom I_sat der Drosselspule 33 innerhalb eines Bereichs zwischen 1,0 und 3 enthalten ist, und bevorzugt zwischen 1,2 und 1,6, in Kombination mit einer (ungesättigten) Abgleichspule, kann ein scharfer relativer Abfall des Verschiebungsstroms I_d bei der Erzeugung des Plasmaimpulses 17 vermieden werden, wobei das Erzeugen eines stabilen Glimmentladungsplasmas verbessert und aufrecht erhalten werden kann.
Es wurde beobachtet, dass durch Erhöhen des Verhältnisses zwischen dem Verschiebungsstrom I_d und dem Sättigungsstrom I_sat der Drosselspule 3 über 1,6 die Spannung über die APG-Elektroden eine mehr rechteckige Wellenform aufweist.
Aus 3 wird es klar, dass der relative Abfall des Verschiebungsstroms gemäß der Erfindung und, wie vorstehend beschrieben, in Bruchteilen einer Mikrosekunde bereitgestellt wird.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass ähnliche Wellenformen mit entgegengesetzten Vorzeichen an der negativen Halbperiode der Erregungsspannung V auftreten.
In den 4A und 4B wird das durch Verwenden eines Verfahrens gemäß der Erfindung erzeugte Plasma, d.h. in 4A, mit einem durch Verwenden eines Verfahrens des Stands der Technik erzeugten Plasmas, in 4B, verglichen, d.h. ohne Erzeugen eines relativen Abfalls des Verschiebungsstroms am Ende des Plasmaimpulses. In 4A wird eine Kombination einer gesättigten Drosselspule 3 und einer ungesättigten Abgleichspule 4 verwendet. Die gemessene Lichtintensität 27, die von dem Plasma kommt, ist über die Zeit t aufgetragen, wobei die Zeit t auf der horizontalen Achse 25 aufgetragen ist. Der Betrag der Intensität ist in beliebigen Einheiten auf der vertikalen Achse 26 auf der rechten Seite des Graphen aufgetragen. Die Achse 24 auf der linken Seite gibt den Betrag der Fluktuationsintensität 28 als eine Prozentzahl der Intensität an.
Wie in 4A ist in 4B die gemessene Lichtintensität 31 und ihr Betrag an der rechten horizontalen Achse 33 aufgetragen. Wiederum ist die Intensitätsschwankung 32 über die Zeit t auf der horizontalen Achse 35 aufgetragen, und ihr Betrag ist durch die linke vertikale Achse 34 angegeben. In beiden Fällen, in 4A und 4B, wurde das Plasma mit einer AC-Spannung von 60 kHz erzeugt.
Durch Vergleichen beider 4A und 4B wird klar, dass durch Verwenden einer gesättigten Spule gemäß der Erfindung, wie etwa die Drosselspulen 3 und 12 aus 1 und 2, Plasmaschwankungen und Instabilitäten effektiv unterdrückt werden können.
Beispiel (siehe 1):
Ein Plasma wurde gemäß dieser Erfindung durch Verwendung der folgenden Bedingungen erzeugt: Ein LC-Serien-Netzwerk bei 240 kHz wurde mit einer Resonanz- oder Anpassspule mit einer Induktivität von 2 mH, einer APG-Elektrodenkapazität 5 von 140 pF, einer Drosselspule 3 mit einer Induktivität von 0,7 mH und mit I_d/I_sat = 1,4 verwendet. Das verwendete Gas war Ar + 20% Luft bei atmosphärischem Druck. Um dem Risiko von Funkenbildung vorzubeugen und aus Anpassungsgründen wurde ein gepulstes Plasma mit einem Leistungszyklus von 10% verwendet. Die verwendeten Ablaufzeiten betrugen 5 min bis 30 min, aber aufgrund von Pulsieren der effektiven Plasmaauslöschzeit betrug die Zeit 0,5 bis 3 min. Bei allen Beispielen wurde eine Leistung von 315 W durch den Erregungsgenerator 1 geliefert. Die Leistungsdichte war 1 W/cm².
Gemäß diesen Plasmaparametern wurde eine mit ITO gesputterte Folie behandelt.
Um eine Verunreinigung der Proben zu verhindern, wurde hauptsächlich Glas als ein Dielektrikum an der oberen Elektrode verwendet (ein dielektrisches Barrierensystem wurde verwendet, um Funkenbildung vorzubeugen).
Beispiel 1: Ablaufzeit 16 min. Plasmaeinwirkzeit 1,6 min. Probe wurde auf der unteren Elektrode platziert. Die Hochspannungselektrode war mit Glas bedeckt.
Beispiel 2: Ablaufzeit 5 min. Plasmaeinwirkzeit 0,5 min. Probe wurde auf der unteren Elektrode platziert. Die Hochspannungselektrode war mit Glas bedeckt.
Beispiel 3: Ablaufzeit 10 min. Plasmaeinwirkzeit 1 min. Probe wurde auf der unteren Elektrode platziert. Die Hochspannungselektrode war mit Glas bedeckt.
Beispiel 4: Ablaufzeit 30 min. Plasmaeinwirkzeit 3 min. Probe wurde auf der unteren Elektrode platziert. Die Hochspannungselektrode war mit Glas bedeckt. Aufgrund des schwachen Kontakts des ITO mit der Elektrode wurde kein Plasma im Zentrum des Spalts gezündet, dadurch war die Behandlung an diesem Bereich sehr schwach.
Die Beispiele wurden durch Bewerten von SEM-Bilder evaluiert. Bei jeder Probe wurden ungefähr 8 Positionen entlang der Folie untersucht. Die Referenz-(unbehandelte)-Oberfläche enthält eine hohe Dichte von dunklen Punkten. Die behandelten Oberflächen schienen komplett weiß zu sein, auch bei der kürzesten Einwirkzeit (30 s).
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass viele Modifikationen und Zusätze durchgeführt werden können, ohne von dem neuheitlichen und innovativen Umfang der Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Glimmentladungsplasmas in einem Gas oder einem Gasgemisch unter atmosphärischen Bedingungen in einem Plasmaentladungsraum, der mindestens zwei beabstandete Elektroden (2) aufweist, wobei mindestens ein Plasmaimpuls durch Anlegen einer AC-Plasmaerregungsspannung an den Elektroden (2) erzeugt wird, was einen Plasmastrom und einen Verschiebungsstrom verursacht, wobei der mindestens eine Plasmaimpuls (17) ein absolutes Impulsmaximum (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt zum Steuern der Erregungsspannung aufweist, so dass nach dem Impulsmaximum (18) ein relativer Abfall des Verschiebungsstromes geschaffen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, zusätzlich mit einem Schritt zum Synchronisieren des relativen Abfalls des Verschiebungsstromes und des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verschiebungsstrom durch Steuern der Plasmaerregungsspannung gesteuert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der relative Abfall des Verschiebungsstromes durch einen relativen Abfall der Plasmaerregungsspannung geschaffen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Plasmaerregungsspannung so geformt ist, dass der Verschiebungsstrom im Wesentlichen eine dreieckige Wellenform aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, wobei die Plasmaerregungsspannung über mindestens ein nichtlineares Element an den Elektroden angelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das nichtlineare Element mindestens eine Drosselspule aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei sich die mindestens eine Drosselspule während des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum in einem gesättigten Zustand befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der relative Abfall des Verschiebungsstromes durch ein Betreiben der Drosselspule geschaffen wird, so dass sich die Induktivität der Drosselspule in Bezug auf den Plasmastrom nichtlinear verhält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, wobei die Drosselspule einen Sättigungsstrom aufweist, bei welchem die Drosselspule gesättigt wird, wenn ein elektrischer Strom durch die Drosselspule den Sättigungsstrom übersteigt, und wobei das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsstrom und dem Sättigungsstrom während des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum in einem Bereich zwischen 1,0 und 3,0 enthalten ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsstrom und dem Sättigungsstrom während des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,6 enthalten ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei das nichtlineare Element zusätzlich eine Phasenverschiebungsschaltung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Phasenverschiebungsschaltung eingerichtet ist, um den Verschiebungsstrom phasenmäßig relativ zu der Erregungsspannung über einen Winkel von kleiner als 90° zu verschieben.
Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, um eine chemische Gasphasenabscheidung, eine Oberflächenreinigung, eine Oberflächenmodifikation und dergleichen durchzuführen.
Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, wobei die Oberfläche zur Oberflächenreinigung die Oberfläche einer auf einem Substrat aufgebrachten transparenten leitfähigen Oxidschicht ist.
Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 15, wobei die transparente Oxidschicht ein Zinnoxid, ein Indiumoxid oder ein Indium-Zinn-Oxid ist.
Anordnung zur Steuerung eines Glimmentladungsplasmas in einem Entladungsraum, der mindestens zwei beabstandete Elektroden (2), eine Einrichtung zum Zuführen eines Gases oder eines Gasgemisches unter atmosphärischen Bedingungen in den Entladungsraum, eine Energieversorgung (1) zum Erregen der Elektroden durch Anlegen einer AC-Plasmaerregungsspannung an den Elektroden (2), um mindestens einen Plasmaimpuls (17) zu erzeugen und einen Plasmastrom und einen Verschiebungsstrom zu verursachen, wobei der mindestens eine Plasmaimpuls (17) ein absolutes Impulsmaximum (18) aufweist, und Einrichtungen (3, 12) zur Steuerung des Plasmas besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (3, 12) zur Steuerung des Plasmas eingerichtet sind, um die Erregungsspannung so zu steuern, dass nach dem Impulsmaximum (18) ein relativer Abfall des Verschiebungsstromes geschaffen wird.
Anordnung gemäß Anspruch 17, zusätzlich mit einer Einrichtung zum Synchronisieren des relativen Abfalls des Verschiebungsstromes und des Plasmaimpulses nach dem Impulsmaximum.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 18, wobei die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas eingerichtet sind, um den Verschiebungsstrom durch Steuern der Plasmaerregungsspannung zu steuern.
Anordnung gemäß Anspruch 19, wobei die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas eingerichtet sind, um den relativen Abfall des Verschiebungsstromes durch Schaffen eines relativen Abfalls der Plasmaerregungsspannung zu schaffen.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas eingerichtet sind, um die Plasmaerregungsspannung zu formen.
Anordnung gemäß Anspruch 21, wobei die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas eingerichtet sind, um die Plasmaerregungsspannung so zu formen, dass der Verschiebungsstrom im Wesentlichen eine dreieckige Wellenform aufweist.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 20, 21 oder 22, wobei die Einrichtungen zur Steuerung des Plasmas mindestens ein nichtlineares Element umfassen.
Anordnung gemäß Anspruch 23, wobei das mindestens eine nichtlineare Element mindestens eine Drosselspule umfasst.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei das mindestens eine nichtlineare Element in Serie zwischen den Elektroden und Anschlüssen der AC-Energieversorgung verbunden ist.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 23, 24 oder 25, wobei das nichtlineare Element mindestens eine Phasenverschiebungsschaltung aufweist.
Anordnung gemäß Anspruch 26, wobei die Phasenverschiebungsschaltung eine Impedanzanpassungsschaltung umfasst.
Anordnung gemäß Anspruch 26, wobei die Phasenverschiebungsschaltung eine Induktivität umfasst, die in Serie zwischen den Elektroden und Anschlüssen der AC-Energieversorgung verbunden ist.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 28, wobei das Gas oder das gasförmige Gemisch mindestens eines aus einer Gruppe, welche Helium, Argon, Stickstoff, Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Ammoniak umfasst, und einem Gemisch umfasst, das beliebige der Gase der Gruppe umfasst.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 29, wobei das Gas ein Gemisch eines Edelgases und eines chemisch aktiven Gases ist.
Anordnung gemäß Anspruch 30, wobei das chemisch aktive Gas ein Ausgangsgas für eine chemische Gasphasenabscheidung ist.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 31, zusätzlich mit einer AC-Energieversorgungseinrichtung, die eingerichtet ist, um die Elektroden mit einer Erregungsspannung bei einer Frequenz zwischen 1 kHz und 50 MHz zu erregen.