EP0881865B1 - Device for producing a plurality of low temperature plasma jets - Google Patents

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EP0881865B1
EP0881865B1 EP98109597A EP98109597A EP0881865B1 EP 0881865 B1 EP0881865 B1 EP 0881865B1 EP 98109597 A EP98109597 A EP 98109597A EP 98109597 A EP98109597 A EP 98109597A EP 0881865 B1 EP0881865 B1 EP 0881865B1
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EP
European Patent Office
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anode
cylindrical cathode
individual cylindrical
cathode
hollow cathode
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Expired - Lifetime
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EP98109597A
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German (de)
French (fr)
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EP0881865A2 (en
EP0881865A3 (en
Inventor
Jürgen Prof. Dr. Dr. h.c. Engemann
Darius Dr. Korzec
Mark Mildner
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JE PlasmaConsult GmbH
Original Assignee
JE PlasmaConsult GmbH
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Publication date
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Publication of EP0881865A3 publication Critical patent/EP0881865A3/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H05H1/481—Hollow cathodes

Definitions

  • the invention relates to a device to produce a variety of low temperature plasma jets according to the preamble of claim 1.
  • the device according to the invention generates plasma jets by means of supplied high-frequency power under Exploitation of the hollow cathode effect.
  • the required energy by a high frequency generator with a frequency between 100 kHz and 100 MHz provided. Due to postal restrictions you usually use the frequency 13.56 MHz.
  • the High frequency power is measured using an appropriate Network adapted.
  • a special form of gas discharge is the hollow cathode discharge, which generates plasmas with a high ion density regardless of the type of excitation.
  • Direct current hollow cathode discharges were reported very early in this century, for example in the article by Günther-Schulze Zeitschrift für Physik 30, pages 175-186 (1924). In the essay by Little and Engel Proc. R. Soc. 224, page 209-227 (1954), a theory for direct current hollow cathode discharges is developed for the first time.
  • the article by Pillow, Spectrochimica Acta 36B, page 821-843 (1981) gives an overview of the various physical properties of direct current hollow cathode discharges.
  • Low-temperature plasma jets are described for the first time in DE 3620214 A1 and in the article by Bardos and Dusek in Thin Solid Films Vol. 158, pages 265-270 (1988) in a device for plasma-assisted CVD (Chemical Vapor Deposition) at very high rates.
  • the device consists of a hollow cathode, which is operated with high-frequency power (27.12 MHz).
  • the substrate itself or the process chamber also serves as a counter electrode.
  • deposition rates of a few ⁇ m per minute for the production of nitride layers can be achieved.
  • no arrangement is reported which enables large-area deposition on web-shaped substrates, such as foils. Coating non-conductive substrates is also a problem.
  • the high-frequency hollow cathode channels have a length of 700 mm and are provided with cathode bores. This forms an efficient hollow anode plasma, but this device is not suitable for the deposition of plasma polymer films on moving, two-dimensional substrates due to the closed construction. The construction also prevents the formation of plasma jets.
  • the high-frequency hollow cathode is designed, for example, as a 30 cm long hollow cathode, it can be seen that at low chamber pressures in the range of a few millibars, a plasma jet of a non-polymerizing gas is not extracted from all the bores which act as nozzles. Depending on the operating conditions gas flow, vacuum chamber pressure, coupled RF power and the type of gas, a pattern of extracted plasma jets is formed. This pattern cannot be avoided with this device and leads to an inhomogeneous substrate influence. However, it is necessary to work at low pressures, since higher pressures can lead to higher temperatures on the substrate and thus to its destruction.
  • the invention solves this problem with the features of claim 1, in particular with those of the identification part, after which the device several separate Single hollow cathode chambers, after which each Plasmajet each as a single hollow cathode chamber Discharge space is assigned and, according to which openings (6,7) in the single hollow cathodes (12) and in the Anode (11) axially aligned pairs of holes form.
  • the principle of the invention is thus essentially based insist on the plasma jets individually in separate Ignite single hollow cathode chambers and out of the chambers extract each in a process room.
  • the solution according to the invention succeeds in the plasma jets to supply independently of each other with working gas. This enables a permanent, even Burn all plasma jets. Fluidic disadvantages in the prior art that prevent several plasma jets emerging from a common discharge space originate, not evenly permanent burn, can be eliminated.
  • the design of the device with a chamber housing and anode housing also enables deposition of insulating layers on a substrate or deposition on insulating substrates.
  • a method is already known from EP 0 727 508 A1 and an apparatus for treating Known substrate surfaces.
  • Here is for treatment proposed larger substrate areas, among other things, one of several individual elements Provide formed hollow cathode which are tubular or have the shape of circular disks. With the known Device is pretensioned to the substrate created. It is also suggested to put an anode on the side of the hollow cathode facing away from the substrate provided.
  • openings in the anode at least in some areas to the process room. This will be the first for the surface of the anode hole which is recognizable by the plasma jet increased. But it works at the same time, side by side shielding arranged plasma jets from one another, so that they are only in an area close to the substrate overlap in the process space and in this way evenly burn. A mutual influence Adjacent plasma jets are reduced.
  • Fig. 1 shows the prior art and represents the principle of creating a low-temperature plasma jet schematically. The generation is based on one on flow-physical effects. To the others the plasma serves as an electrical conductor between a hollow cathode 1 and a hollow anode 2. In a grounded total anode 11 is located one hollow cathode chamber 34 is electrically insulated surrounding hollow cathode 1.
  • a non-polymerizing Working gas e.g. Argon, oxygen, nitrogen, etc. flows through the gas inlet 9 into the hollow cathode chamber 34 a. The gas then flows through a Cathode bore 6 and an anode bore 7 in the Hollow anode 2, which evacuates via the gas outlet 10 becomes.
  • the hollow cathode 1 by a high frequency generator 8 (e.g. 13.56 MHz) is powered a hollow cathode plasma 3 in the hollow cathode chamber 34 generated.
  • the total electrical discharge current also flows through the cathode bore in the plasma 6 and the anode bore 7, so that a zone higher Ion density is created. Both effects create together the Plasmajet 5.
  • a gas outlet 10 is provided in the hollow anode 2, in which a hollow anode plasma 4 burns.
  • a process room 33 is therefore not completely closed. It can therefore lead to a flow of plasma or gas the holes 6, 7 and come through the process space 33 and the plasma jets 5 can exit the anode bore 5 be extracted.
  • Fig. 2a is a longitudinal section through a schematic illustrated first embodiment of the Device for generating several linearly arranged Low temperature plasma jets mapped, with each plasma jet 5 separately in a single hollow cathode chamber 32 of a single hollow cathode 12 is generated.
  • the plasma jets 5 each penetrate an area between the cathode bore 6 and the anode bore 7. They extend beyond the bore areas both in the process space 33 and in the single hollow cathode chambers 32 in. Because of the pressure differences each plasma jet 5 flows through the Cathode bore 6 and the anode bore 7 in the process space 33rd
  • An overall hollow cathode 27 is coaxial in one Total hollow anode 13 arranged and by ceramic Insulating pieces 20 a-d electrically from the grounded total hollow anode 13 isolated. So a dark room 26 with a width of preferably 2.5 mm.
  • the Total hollow cathode 27 is via the high frequency feed 14 supplied with high-frequency power. there is used to isolate the high frequency feed in the Anode 19 is a sleeve, preferably made of PTFE (Polytetrafluoroethylene) used.
  • Several single hollow cathodes 12 are linear a total hollow cathode 27 is arranged.
  • the single hollow cathode chambers 32 of the single hollow cathodes 12 via a cathode gas supply 16 with working gas provided.
  • the working gas flows through one Single hollow cathode gas inlet 15 into the single hollow cathode chambers 32.
  • a total gas supply 18 leads the working gas from the outside on both sides of the device the total hollow cathode 27.
  • An insulation section 17 isolates the total gas supply 18 from the cathode gas supply 16. This insulating section 17 is shaped so that a parasitic discharge between Total hollow anode 13 and the total hollow cathode 27 is prevented.
  • the total hollow cathode 27 comprises a total hollow cathode tube 28, which in the exemplary embodiment Inside diameter of 43 mm with a wall thickness of about 10 mm and a length of, for example, 300 mm Has.
  • the total hollow anode 13 has an inner diameter of 68 mm and a wall thickness of preferably 6 mm at a length of 324 mm.
  • the cathode bores 6 form together with the opposite anode holes 7 shows a row parallel to a longitudinal axis of FIG Total hollow cathode 27.
  • One cathode hole each 6 and an anode hole 7 are axially aligned Hole par arranged.
  • the cathode bore 6 has a diameter of preferably 10 mm.
  • the ones shown in the example Anode holes 7 each have a diameter of 4 mm. Due to the gas flow in each hollow cathode chamber 32 under increased pressure over that Process space 33 flowing in working gas, flows in Plasmajet 5 from the holes 6 and 7 in the process room 33.
  • the total gas supply 18 is e.g. by formed a 6 mm thick stainless steel tube.
  • the Cathode gas supply 16 is through a tube of 6 mm Realized diameter on which several disks 29th with a thickness of 1 mm and a diameter of 43 mm fixed at a respective distance of preferably 20 mm are.
  • the tube 16 with the washers 29 is in pushed the tube 28 forming the entire hollow cathode 27 and thus forms toroidal single hollow cathode chambers 32 of the single hollow cathodes 12.
  • the cathode gas supply forming tube 16 has wall openings 15 through which the working gas into the single hollow cathode chambers 32 arrives.
  • the number of wall openings 15 corresponds to the number of single hollow cathode chambers 32. Any non-polymerizing gas can be used as the working gas Gas can be used.
  • This linear device is designed so that one that can be extended in discrete units of 300 mm Device for generating any large number of high-frequency hollow cathode low-temperature plasma jets results.
  • To a bilateral Treatment or coating of a substrate can achieve two parallel linear trained Devices perpendicular to the direction of movement of the Substrate are arranged opposite to each other.
  • the high frequency power is balanced RF distributor fed to the pair of devices.
  • This distributor is designed so that the distance of the two devices can be varied to each other can.
  • the high-frequency power is via a plug connection, which is also the principle of modularity supported, coupled into the total hollow cathode 27.
  • FIG. 2b shows a cross section through a toroidal Single hollow cathode 12 of the device with process space and substrate.
  • the plasma jet 5 excites the monomer 22 supplied outside the device in a remote process, analogously to the article by Korzec, Theirich, Werner, Traub and Engemann, Surf. and Coating Technol. 74-75, p. 67-74 (1995), for polymerization on the surface of a substrate 24.
  • the monomer 22 to be polymerized is fed through a monomer gas feed 21 a, b with bores, which is arranged near the device according to the invention.
  • a coating plasma zone 23 is formed in the process space 33.
  • the monomer polymerizes on the substrate 24 and forms a plasma polymer film 25.
  • the ion density within a plasma jet 5 is up to 10 12 ions per cm 3 .
  • Fig. 3a is a second embodiment shown.
  • This device works according to the same principle and also enables generation a variety of intense high-frequency hollow cathode low-temperature plasma jets. While that in 2a and 2b example shown a linear Arrangement of single hollow cathode chambers 32 of the single hollow cathodes 12 shows the single hollow cathodes here 12 along with the single hollow cathode chambers 32 arranged on one level. This leads to a Matrix-like formation of plasma jets.
  • the single hollow cathode chambers 32nd circular cylindrical design In contrast to the annular single hollow cathode chambers 32 in FIGS. 3a and 3b are in this Embodiment the single hollow cathode chambers 32nd circular cylindrical design.
  • the feeding of the Working gas is emitted from one end face the cylinder forth through a gas inlet 15.
  • the Gas outlet, the bore 6 in the chamber housing of the single hollow cathode 12, is on the opposite End face of the cylinder arranged.
  • the single hollow cathodes 12 are in one Total hollow cathode 27, which is even within the Total anode 13 is arranged.
  • Total hollow cathode 27 and total anode 13 are by ceramic insulating pieces 20 a-d separated.
  • the total anode 13 is at the electrical earth potential.
  • the Total hollow cathode 27 is via the high frequency feed 14 supplied with high-frequency power.
  • the High-frequency feed 14 is electrical from the anode 19 insulated, preferably as insulating material PFTE (polytetrafluoroethylene) is used.
  • PFTE polytetrafluoroethylene
  • Total hollow cathode 27 is over the insulating section 17th the gas supply and via the total gas supply 18 supplied with a non-polymerizing working gas.
  • This insulating section 17 of the gas supply is shaped in such a way that a parasitic discharge between Total anode 13 and the total hollow cathode 27 prevented becomes.
  • 3b is a cross section of the device for generating low-temperature plasma jets arranged in a matrix shown.
  • the working gas flows from the insulating section 17 of the gas supply into the cathode gas supply 16, which is designed as a channel system is.
  • the gas flows from the cathode gas supply 16 through the hollow cathode gas inlet 15 into each one Hollow cathode chamber 32 to a hollow cathode plasma 3 ignite.
  • a plasma jet 5 forms in the range of Cathode bore 6 and anode bore 7 and flows through the anode bore 7 into the process space 33.
  • Each single hollow cathode chamber 32 of the hollow cathode 12 has a diameter of preferably 20 mm to 40 mm.
  • the length is e.g. 50 mm.
  • the total hollow cathode 27 has, for example a length of approx. 264 mm with a width of e.g. 125 mm.
  • the hollow cathode gas inlet 15 has a diameter of 2 mm.
  • the total hollow cathode 27 is from a space or dark room 26 of width 2 mm surrounded.
  • the cathode bore 6 has a diameter of 10 mm and the anode holes 7 a diameter of 4 mm.
  • the total gas supply 18 is, for example formed by a 6 mm thick stainless steel tube.
  • the monomer 22 to be polymerized is by a arranged near the device according to the invention Monomergaszussel 21 with holes analogous to Fig. 2b supplied.
  • FIG. 4 shows an enlarged section of the area of the bores 6, 7 of the device described above.
  • the ratio of cathode area to anode area plays an important role for the generation of the plasma jet and the operation of the device, as in the article by Horwitz, J. Vac. Sci. Technol . A1 page 60-68 (1983).
  • the cylindrical bore 7 of the entire anode 11 is designed step-like.
  • the plasma jet 5 flows through the cathode bore 6 to the anode bore 7.
  • An optimum area ratio is achieved when the cathode surface and the anode surface are of the same size.
  • the anode bore 7 can face the process space also expand conically or curved. same for for the cathode hole 6.
  • This arrangement according to the invention can the voltage distribution at the high-frequency electrodes adjust so that you get high-intensity plasma jets can extract. It is ensured that the electric discharge current across the surface of the cylindrical, stepped anode bore 7 flows and a covering of the entire anode 11 with the anode bores 7 is avoided with a plasma.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Niedertemperatur-Plasmajets nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device to produce a variety of low temperature plasma jets according to the preamble of claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt Plasmajets mittels zugeführter Hochfrequenzleistung unter Ausnutzung des Hohlkathodeneffektes. Dabei wird die benötigte Energie durch einen Hochfrequenzgenerator mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 100 MHz bereitgestellt. Aufgrund postalischer Einschränkungen benutzt man in der Regel die Frequenz 13,56 MHz. Die Hochfrequenzleistung wird mit Hilfe eines geeigneten Netzwerkes angepaßt.The device according to the invention generates plasma jets by means of supplied high-frequency power under Exploitation of the hollow cathode effect. The required energy by a high frequency generator with a frequency between 100 kHz and 100 MHz provided. Due to postal restrictions you usually use the frequency 13.56 MHz. The High frequency power is measured using an appropriate Network adapted.

Eine spezielle Form von Gasentladungen stellen die Hohlkathodenentladungen dar, die unabhängig von der Anregungsart Plasmen mit hoher Ionendichte erzeugen. Von Gleichstrom-Hohlkathodenentladungen wird schon sehr früh in diesem Jahrhundert berichtet, beispielsweise im Aufsatz von Günther-Schulze Zeitschrift für Physik 30, Seite 175-186 (1924). Im Aufsatz von Little und von Engel Proc. R. Soc. 224, Seite 209-227 (1954) wird erstmals eine Theorie für Gleichstrom-Hohlkathodenentladungen entwickelt. Der Aufsatz von Pillow, Spectrochimica Acta 36B, Seite 821-843 (1981) gibt einen Überblick über die diversen physikalischen Eigenschaften von Gleichstrom-Hohlkathodenentladungen. In der Literatur finden sich eine Reihe von Hohlkathoden-Gleichstromentladungen zur Beschichtung von Substraten, so z.B. im Aufsatz von Jansen, Kuhman und C. Taber, J. Vac. Sci. Technol. Vol. A7 (6), Seite 3176-3182 (1989).A special form of gas discharge is the hollow cathode discharge, which generates plasmas with a high ion density regardless of the type of excitation. Direct current hollow cathode discharges were reported very early in this century, for example in the article by Günther-Schulze Zeitschrift für Physik 30, pages 175-186 (1924). In the essay by Little and Engel Proc. R. Soc. 224, page 209-227 (1954), a theory for direct current hollow cathode discharges is developed for the first time. The article by Pillow, Spectrochimica Acta 36B, page 821-843 (1981) gives an overview of the various physical properties of direct current hollow cathode discharges. A number of hollow cathode direct current discharges for coating substrates are found in the literature, for example in the article by Jansen, Kuhman and C. Taber, J. Vac. Sci. Technol. Vol. A7 (6), page 3176-3182 (1989).

Gleichstromentladungen und somit auch solche linearen Anordnungen, wie sie im Aufsatz von Belkind, Li, Clow und F. Jansen, Surface and coating Technology 76-77, Seite 738-743 (1995) vorschlagen werden, sind nicht für solche Prozesse geeignet, bei denen eine isolierende Beschichtung auf einem Substrat deponiert wird. Da dieses als Elektrode dient, kann mit der vollständigen isolierenden Bedeckung die Entladung nicht aufrecht erhalten werden. In der Vorrichtung von Belkind et. al. wird das zu behandelte Substrat als Anode genutzt. Somit eignen sich auch Isolatoren naturgemäß nicht als Substrate zur Oberflächenbehandlung.DC discharges and thus such linear arrangements, as will be suggested in the article by Belkind, Li, Clow and F. Jansen, Surface and coating Technology 76-77, page 738-743 (1995), are not suitable for processes in which an insulating coating is deposited on a substrate. Since this serves as an electrode, the discharge cannot be maintained with the complete insulating covering. In the Belkind et. al. the substrate to be treated is used as an anode. Insulators are therefore naturally not suitable as substrates for surface treatment.

Im US Patent 5464667 von Köhler, Kirk und Follett wird ein Verfahren vorgestellt, mit welchem es möglich ist, mittels einer Gleichstrom-Hohlkathodenentladung auf Substrate jeglicher Art, wie z.B. Kunststoffolien, kohlenstoffreiche Schichten abzuscheiden. Das Plasma wird innerhalb zweier seriell angeordneter Hohlkathoden generiert, wobei eine Hohlkathode aus rechteckigen parallelen Platten besteht und einen sogenannten Hohlkathodenschlitz bildet. Der Einsatz eines derartigen Schlitzes limitiert jedoch die Skalierbarkeit der Vorrichtung, da für eine vorgegebene Behandlungsbreite ein konstantes Verhältnis der Breite zur Schlitzhöhe eingehalten werden muß. In U.S. Patent 5,446,667 to Köhler, Kirk and Follett a method is presented with which it is possible is by means of a direct current hollow cathode discharge on substrates of any kind, e.g. plastic, deposit carbon-rich layers. The plasma is arranged in series within two Hollow cathode generated, with a hollow cathode rectangular parallel plates and one so-called hollow cathode slot forms. The stake however, such a slot limits scalability the device as for a given Treatment width a constant ratio of Width to the slot height must be observed.

In einem Aufsatz von Horwitz in Appl. Phys. Lett. 43(10), Seite 997-979 (1983) wird erstmals von Hohlkathodenentladungen berichtet, die mit hochfrequenter Leistung betrieben werden. Mit der dort beschriebenen Vorrichtung werden Ätzprozesse durchgeführt, wobei das Substrat in der Hohlkathode selbst angebracht ist. Auf Grund der Konstruktion bilden sich keine Niedertemperatur-Plasmajets, da die Gasteilchen durch einen Spalt aus der Hohlkathode strömen.In an essay by Horwitz in Appl. Phys. Lett. 43 (10), pages 997-979 (1983), hollow cathode discharges which are operated with high-frequency power are reported for the first time. Etching processes are carried out with the device described therein, the substrate being attached in the hollow cathode itself. Due to the design, no low-temperature plasma jets are formed because the gas particles flow out of the hollow cathode through a gap.

Im Aufsatz von Lejeune, Grandchamp, Kessi und Gilles, Vacuum 36, Seite 837-840 (1986) wird berichtet, daß Hochfrequenz-Hohlkathodenentladung in einer Hochfrequenz-Ionenquelle eingesetzt wird. Die Hohlkathoden sind in einer Matrix angeordnet, welche sich in einem auf Hochspannung liegenden Anodenzylinder befindet. In diesen Anodenzylinder strömt das Arbeitsgas ein und gelangt von dort in die Hohlkathoden, wo ein dichtes Plasma erzeugt wird. Zur Verbesserung der Plasmahomogenität wird an den Anodenzylinder ein Magnetfeld angelegt. Beim Betrieb der Hochfrequenz-Ionenquelle bilden sich jedoch keine Niedertemperatur-Plasmajets aus.In the essay by Lejeune, Grandchamp, Kessi and Gilles, Vacuum 36, pages 837-840 (1986) are reported that high frequency hollow cathode discharge in one High frequency ion source is used. The hollow cathodes are arranged in a matrix, which are in an anode cylinder at high voltage located. This flows into this anode cylinder Working gas and from there enters the hollow cathode, where a dense plasma is generated. For improvement The plasma homogeneity is applied to the anode cylinder a magnetic field is applied. When operating the high-frequency ion source however, no low temperature plasma jets are formed out.

Im US Patent 4954751 von Kaufman und Robinson wird von einer Vorrichtung berichtet, bei der in zwei voneinander elektrisch isolierten Kavitäten hochfrequente Hohlkathodenentladungen erzeugt werden. Die Kavitäten werden parallel von einem Generator mit Leistung versorgt. Das Arbeitsgas strömt jedoch nicht direkt in die Hohlkathoden ein. Die Vorrichtung ist auf zwei Hohlkathoden beschränkt, so daß eine Skalierung nicht möglich scheint. Außerdem werden keine Plasmajets extrahiert, da diese Vorrichtung lediglich als Elektronenquelle dienen soll, so daß diese Vorrichtung nicht in Plasmapolymerisationsprozessen eingesetzt werden kann.In U.S. Patent 4,954,751 to Kaufman and Robinson is reported of a device in which in two high-frequency cavities electrically insulated from one another Hollow cathode discharges are generated. The Cavities are created in parallel by a generator Power supplied. However, the working gas does not flow directly into the hollow cathode. The device is limited to two hollow cathodes, so that scaling seems impossible. Besides, none Plasma jets are extracted because this device only should serve as an electron source, so that this device not used in plasma polymerization processes can be.

Niedertemperatur-Plasmajets werden in DE 3620214 Al und im Aufsatz von Bardos und Dusek in Thin Solid Films Vol. 158, Seite 265-270 (1988) bei einer Vorrichtung zur plasmaunterstützen CVD (Chemical Vapour Deposition) mit sehr hohen Raten erstmals beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einer Hohlkathode, die mit hochfrequenter Leistung (27,12 MHz) betrieben wird. Bei dieser Vorrichtung dient das Substrat selbst bzw. auch die Prozeßkammer als Gegenelektrode. Mit dieser Vorrichtung können Abscheideraten von einigen µm pro Minute zur Erzeugung von Nitridschichten erzielt werden. Es wird jedoch von keiner Anordnung berichtet, die eine großflächige Abscheidung auf bahnförmigen Substraten, wie Folien, ermöglicht. Ebenso stellt die Beschichtung von nichtleitenden Substraten ein Problem dar.Low-temperature plasma jets are described for the first time in DE 3620214 A1 and in the article by Bardos and Dusek in Thin Solid Films Vol. 158, pages 265-270 (1988) in a device for plasma-assisted CVD (Chemical Vapor Deposition) at very high rates. The device consists of a hollow cathode, which is operated with high-frequency power (27.12 MHz). In this device, the substrate itself or the process chamber also serves as a counter electrode. With this device, deposition rates of a few μm per minute for the production of nitride layers can be achieved. However, no arrangement is reported which enables large-area deposition on web-shaped substrates, such as foils. Coating non-conductive substrates is also a problem.

Ein anderes Konzept zur Erzeugung von Niedertemperatur-Plasmajets wird in WO 96/16531 von Bardos und Barankova (1995) beschrieben. Bei dieser Vorrichtung sind zwei parallele Platten von einigen Zentimetern Länge zu einer Hochfrequenz-Hohlkathode zusammengefaßt. Eine Magnetanordnung außerhalb einer Hochfrequenz-Hohlkathode bewirkt die Bildung von Plasmajets. Jedoch bildet auch hier das Substrat die Anode für die Entladung. Diese Vorrichtung dient neben dem Einsatz in Ätzprozessen zur Erzeugung harter Schichten, wie z.B. TiN, wobei das Material der Hohlkathode gesputtert wird und als Schicht auf dem Substrat deponiert wird.Another concept for the production of low-temperature plasma jets is described in WO 96/16531 by Bardos and Barankova (1995). With this device are two parallel plates of a few centimeters Length combined into a high-frequency hollow cathode. A magnet arrangement outside a high-frequency hollow cathode causes the formation of plasma jets. However, here too the substrate forms the anode for the discharge. This device is used in addition to use in etching processes to create hard layers, such as. TiN, the material of the hollow cathode is sputtered and as a layer on the substrate is deposited.

In DE 4233895 Al von Engemann und Korzec, bzw. im Aufsatz von Korzec, Schott und Engemann J. vac. Sci.Technol. A13 Seite 843-848(1995) wird von einer Hochfrequenz-Hohlkathoden-Plasmaquelle zur Oberflächenmodifikation von bewegten, zweidimensionalen Substraten berichtet. Es handelt sich hier um eine geschlossene Konstruktion mit 300 mm langen Hohlkathodenkanälen. Bei dieser Vorrichtung befinden sich keine Bohrungen in der Hohlkathode, wodurch sich kein effizientes Hohlanodenplasma ausbilden kann. In den Aufsätzen von Mildner, Korzec, Hillemann und Engemann Verhandl. DPG (VI) 31, Seite 743 (1996), sowie Korzec, Mildner, Hillemann und Engemann Surface and Coatings Technology 97 Seite 759- 767 (1997), (Beitrag zur PSE' 96) wird ebenfalls eine Hochfrequenz-Hohlkathoden-Plasmaquelle zur Oberflächenmodifikation mit geschlossener Konstruktion vorgestellt. Hierbei haben die Hochfrequenz-Hohlkathodenkanäle eine Länge von 700 mm und sind mit Kathodenbohrungen versehen. Dadurch bildet sich ein effizientes Hohlanodenplasma aus, jedoch ist diese Vorrichtung zur Deposition von Plasmapolymerfilmen auf bewegten, zweidimensionalen Substraten aufgrund der geschlossen Konstruktion nicht geeignet. Außerdem wird durch die Konstruktion die Bildung von Plasmajets verhindert. In DE 4233895 Al by Engemann and Korzec, or in the article by Korzec, Schott and Engemann J. vac. Sci.Technol . A13 page 843-848 (1995) reports a high-frequency hollow cathode plasma source for the surface modification of moving, two-dimensional substrates. This is a closed construction with 300 mm long hollow cathode channels. In this device, there are no bores in the hollow cathode, as a result of which no efficient hollow anode plasma can form. In the essays by Mildner, Korzec, Hillemann and Engemann negotiation. DPG (VI) 31, page 743 (1996), as well as Korzec, Mildner, Hillemann and Engemann Surface and Coatings Technology 97 page 759-767 (1997), (contribution to PSE '96) also becomes a high-frequency hollow cathode plasma source for surface modification presented with closed construction. The high-frequency hollow cathode channels have a length of 700 mm and are provided with cathode bores. This forms an efficient hollow anode plasma, but this device is not suitable for the deposition of plasma polymer films on moving, two-dimensional substrates due to the closed construction. The construction also prevents the formation of plasma jets.

Im Aufsatz von Korzec, Engemann, Mildner, Ningel, Borgmeier und Theirich Surface and Coatings Technology 93 Seite 128-133 (1997), Beitrag zu 3rd European Workshop on Surface Engineering Large Area Coating LAC'95 Würzburg, wird eine lineare Vorrichtung zur Erzeugung von Hochfrequenz-Hohlkathoden-Niedertemperaturplasmajets vorgestellt. Bei dieser Vorrichtung wird eine Hochfrequenz-Hohlkathode in einer Hohlanode koaxial angeordnet. Durch eine matrixförmige Anordnung von Bohrungen in der Hohlkathode, als auch in der Hohlanode, werden bei geeigneten Parametern Niedertemperatur-Plasmajets emittiert. Wird die Hochfrequenz-Hohlkathode beispielsweise als eine 30 cm lange Hohlkathode ausgebildet, so zeigt sich, daß bei niedrigen Kammerdrücken im Bereich von einigen Millibar nicht aus allen Bohrungen, die als Düsen fungieren, ein Plasmastrahl eines nicht-polymerisierenden Gases extrahiert wird. Es bildet sich abhängig von den Betriebsbedingungen Gasfluß, Vakuumkammerdruck, eingekoppelter HF-Leistung und der Gasart ein Muster von extrahierten Plasmastrahlen. Dieses Muster läßt sich bei dieser Vorrichtung grundsätzlich nicht vermeiden und führt zu einer inhomogenen Substratbeeinflussung. Es ist jedoch notwendig, bei niedrigen Drücken zu arbeiten, da höhere Drücke zu höheren Temperaturen auf dem Substrat und damit zu dessen Zerstörung führen können.In the article by Korzec, Engemann, Mildner, Ningel, Borgmeier and Theirich Surface and Coatings Technology 93 page 128-133 (1997), contribution to 3rd European Workshop on Surface Engineering Large Area Coating LAC'95 Würzburg, a linear device for the generation of High-frequency hollow cathode low-temperature plasma jets presented. In this device, a high-frequency hollow cathode is arranged coaxially in a hollow anode. Through a matrix-shaped arrangement of bores in the hollow cathode and in the hollow anode, low-temperature plasma jets are emitted with suitable parameters. If the high-frequency hollow cathode is designed, for example, as a 30 cm long hollow cathode, it can be seen that at low chamber pressures in the range of a few millibars, a plasma jet of a non-polymerizing gas is not extracted from all the bores which act as nozzles. Depending on the operating conditions gas flow, vacuum chamber pressure, coupled RF power and the type of gas, a pattern of extracted plasma jets is formed. This pattern cannot be avoided with this device and leads to an inhomogeneous substrate influence. However, it is necessary to work at low pressures, since higher pressures can lead to higher temperatures on the substrate and thus to its destruction.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von intensiven Hochfrequenz-Hohlkathoden-Niedertemperatur-Plasmajets zu schaffen, die eine homogene Disposition einer funktionalen Schicht auf einem bahnförmigen und gegebenenfalls temperaturempfindlichen Substrat ermöglicht.It is therefore an object of the invention to provide a device to produce a variety of intense RF hollow cathode low-temperature plasma jets to create a homogeneous disposition of a functional layer on a web-like and optionally temperature sensitive substrate.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, insbesondere mit denen des Kennzeichenteils, wonach die Vorrichtung mehrere separate Einzelhohlkathodenkammern umfaßt, wonach jedem Plasmajet jeweils eine Einzelhohlkathodenkammer als Entladungsraum zugeordnet ist und, wonach Öffnungen (6,7) in den Einzelhohlkathoden (12) und in der Anode (11) miteinander axial fluchtende Bohrungspaare bilden.The invention solves this problem with the features of claim 1, in particular with those of the identification part, after which the device several separate Single hollow cathode chambers, after which each Plasmajet each as a single hollow cathode chamber Discharge space is assigned and, according to which openings (6,7) in the single hollow cathodes (12) and in the Anode (11) axially aligned pairs of holes form.

Das Prinzip der Erfindung beruht somit im wesentlichen darauf, die Plasmajets einzeln in separaten Einzelhohlkathodenkammern zu zünden und aus den Kammern jeweils in einen Prozeßraum zu extrahieren. Mit der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, die Plasmajets unabhängig voneinander mit Arbeitsgas zu versorgen. Dies ermöglicht ein dauerhaftes, gleichmäßiges Brennen aller Plasmajets. Strömungstechnische Nachteile beim Stand der Technik, die verhindern, daß mehrere Plasmajets, die aus einem gemeinsamen Entladungsraum entstammen, nicht gleichmäßig dauerhaft brennen, können so beseitigt werden.The principle of the invention is thus essentially based insist on the plasma jets individually in separate Ignite single hollow cathode chambers and out of the chambers extract each in a process room. With the solution according to the invention succeeds in the plasma jets to supply independently of each other with working gas. This enables a permanent, even Burn all plasma jets. Fluidic disadvantages in the prior art that prevent several plasma jets emerging from a common discharge space originate, not evenly permanent burn, can be eliminated.

Die Ausbildung der Vorrichtung mit Kammergehäuse und Anodengehäuse ermöglicht dabei auch die Deposition von isolierenden Schichten auf ein Substrat bzw. die Deposition auf isolierende Substrate. The design of the device with a chamber housing and anode housing also enables deposition of insulating layers on a substrate or deposition on insulating substrates.

Aus der EP 0 727 508 A1 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Substratoberflächen bekannt. Hier ist zur Behandlung größerer Substratflächen unter anderem vorgeschlagen, eine aus mehreren Einzelelementen gebildete Hohlkathode vorzusehen die rohrförmig sind oder die Form Kreisförmiger Scheiben haben. Bei der bekannten Vorrichtung wird an das Substrat eine Vorspannung angelegt. Außerdem wird vorgeschlagen, eine Anode auf der dem Substrat abgewandten Seite der Hohlkathode vorzusehen.A method is already known from EP 0 727 508 A1 and an apparatus for treating Known substrate surfaces. Here is for treatment proposed larger substrate areas, among other things, one of several individual elements Provide formed hollow cathode which are tubular or have the shape of circular disks. With the known Device is pretensioned to the substrate created. It is also suggested to put an anode on the side of the hollow cathode facing away from the substrate provided.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erweitern sich Öffnungen in der Anode zumindest bereichsweise zum Prozeßraum hin. Damit wird zunächst die für den Plasmajet erkennbare Fläche der Anodenbohrung vergrößert. Es gelingt aber gleichzeitig, nebeneinander angeordnete Plasmajets voneinander abzuschirmen, so daß sie sich erst in einem substratnahen Bereich im Prozeßraum überlagern und auf diese Weise gleichmäßig brennen. Eine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Plasmajets ist damit vermindert.Expand according to an advantageous embodiment openings in the anode, at least in some areas to the process room. This will be the first for the surface of the anode hole which is recognizable by the plasma jet increased. But it works at the same time, side by side shielding arranged plasma jets from one another, so that they are only in an area close to the substrate overlap in the process space and in this way evenly burn. A mutual influence Adjacent plasma jets are reduced.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

  • Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Hohlkathode und eine Hohlanode mit einer Hochfrequenz-Hohlkathodenentladung zur Erzeugung eines Niedertemperatur-Plasmajets mit hoher Ionendichte,
  • Fig. 2a einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Vorrichtung mit linear angeordneten ringförmigen Einzelhohlkathodenkammern zur Erzeugung mehrerer linear angeordneter Niedertemperatur-Plasmajets,
  • Fig. 2b einen Querschnitt gemäß Schnittlinie A-A' in Fig. 1,
  • Fig. 3a einen Längsschnitt parallel zur Ebene eines bahnförmigen Substrates durch eine schematisch dargestellte Vorrichtung mit flächenartig angeordneten kreiszylindrischen Einzelhohlkathodenkammern zur Erzeugung in Matrixform angeordneter Niedertemperatur-Plasmajets, Fig. 3b einen Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Vorrichtung gemäß Fig. 3a mit einem Prozeßraum und einem Substrat, und
  • Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Bereich von stufenartigen Öffnungen in einem Hohlkathodengehäuse und in einem Anodengehäuse mit einem Niedertemperatur-Plasmajet.
    • Further advantages of the invention emerge from the subclaims and on the basis of exemplary embodiments illustrated in the drawings. Show it:
  • 1 shows a cross section through a hollow cathode and a hollow anode with a high-frequency hollow cathode discharge for generating a low-temperature plasma jet with a high ion density,
  • 2a shows a longitudinal section through a schematically illustrated device with linearly arranged annular single hollow cathode chambers for producing a plurality of linearly arranged low-temperature plasma jets,
  • 2b shows a cross section along section line AA 'in Fig. 1,
  • 3a shows a longitudinal section parallel to the plane of a web-shaped substrate through a schematically illustrated device with flat cylindrical single hollow cathode chambers for producing low-temperature plasma jets arranged in a matrix, FIG. 3b shows a cross section through a schematically illustrated device according to FIG , and
  • 4 shows a cross section through a region of step-like openings in a hollow cathode housing and in an anode housing with a low-temperature plasma jet.

    • Fig. 1 zeigt den Stand der Technik und stellt das Prinzip zur Erzeugung eines Niedertemperatur-Plasmajets schematisch dar. Die Erzeugung basiert zum einen auf strömungsphysikalischen Effekten. Zum andern dient das Plasma als elektrischer Leiter zwischen einer Hohlkathode 1 und einer Hohlanode 2. In einer geerdeten Gesamtanode 11 befindet sich davon elektrisch isoliert die eine Hohlkathodenkammer 34 umgebende Hohlkathode 1. Ein nicht polymerisierendes Arbeitsgas, z.B. Argon, Sauerstoff, Stickstoff, etc. strömt durch den Gaseinlaß 9 in die Hohlkathodenkammer 34 ein. Das Gas strömt anschließend durch eine Kathodenbohrung 6 und eine Anodenbohrung 7 in die Hohlanode 2, welche über den Gasauslaß 10 evakuiert wird. Dadurch wird eine Strömung im Bereich der Kathodenbohrung 6 und der Anodenbohrung 7 ausgebildet, die zur Erzeugung des Plasmajets 5 beiträgt. Wird die Hohlkathode 1 durch einen Hochfrequenzgenerator 8 (z.B. 13,56 MHz) mit Leistung versorgt, wird in der Hohlkathodenkammer 34 ein Hohlkathodenplasma 3 erzeugt. Der gesamte elektrische Entladungsstrom fließt im Plasma ebenfalls durch die Kathodenbohrung 6 und die Anodenbohrung 7, so daß eine Zone hoher Ionendichte entsteht. Beide Effekte erzeugen gemeinsam den Plasmajet 5.Fig. 1 shows the prior art and represents the principle of creating a low-temperature plasma jet schematically. The generation is based on one on flow-physical effects. To the others the plasma serves as an electrical conductor between a hollow cathode 1 and a hollow anode 2. In a grounded total anode 11 is located one hollow cathode chamber 34 is electrically insulated surrounding hollow cathode 1. A non-polymerizing Working gas, e.g. Argon, oxygen, nitrogen, etc. flows through the gas inlet 9 into the hollow cathode chamber 34 a. The gas then flows through a Cathode bore 6 and an anode bore 7 in the Hollow anode 2, which evacuates via the gas outlet 10 becomes. This creates a flow in the area of Cathode bore 6 and the anode bore 7 formed, which contributes to the generation of the plasma jet 5. The hollow cathode 1 by a high frequency generator 8 (e.g. 13.56 MHz) is powered a hollow cathode plasma 3 in the hollow cathode chamber 34 generated. The total electrical discharge current also flows through the cathode bore in the plasma 6 and the anode bore 7, so that a zone higher Ion density is created. Both effects create together the Plasmajet 5.

    In der Hohlanode 2, in der ein Hohlanodenplasma 4 brennt, ist ein Gasauslaß 10 vorgesehen. Ein Prozeßraum 33 ist somit nicht vollständig geschlossen. Es kann daher zu einem Fluß von Plasma bzw. Gas durch die Bohrungen 6, 7 und durch den Prozeßraum 33 kommen und die Plasmajets 5 können aus der Anodenbohrung 5 extrahiert werden.In the hollow anode 2, in which a hollow anode plasma 4 burns, a gas outlet 10 is provided. A process room 33 is therefore not completely closed. It can therefore lead to a flow of plasma or gas the holes 6, 7 and come through the process space 33 and the plasma jets 5 can exit the anode bore 5 be extracted.

    Um unabhängig von der Reaktorgeometrie Polymerschichten durch Plasmapolymerisation auf nichtleitenden, sich gegebenenfalls bewegenden, zweidimensionalen Substraten, wie z.B. Papier, Kunststoffe, Polypropylen-Fasermatten od. dgl. deponieren zu können, wurde eine Hochfrequenz-Hohlkathoden-Plasmaquelle zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas entwickelt. Als Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden im folgenden zwei Vorrichtungen zur Erzeugung einer Vielzahl von Niedertemperatur-Plasmajets vorgestellt.To be independent of the reactor geometry polymer layers by plasma polymerization on non-conductive, possibly moving, two-dimensional Substrates such as Paper, plastics, polypropylene fiber mats to be able to deposit, became a high-frequency hollow cathode plasma source Generation of a low-temperature plasma developed. As exemplary embodiments according to the invention in the following two devices for generating a Variety of low-temperature plasma jets presented.

    In Fig. 2a ist ein Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer linear angeordneter Niedertemperatur-Plasmajets abgebildet, wobei jeder Plasmajet 5 separat in einer Einzelhohlkathodenkammer 32 einer Einzelhohlkathode 12 erzeugt wird. Die Plasmajets 5 durchstoßen jeweils einen Bereich zwischen der Kathodenbohrung 6 und der Anodenbohrung 7. Sie erstrecken sich über die Bohrungsbereiche hinaus sowohl in den Prozeßraum 33, als auch in die Einzelhohlkathodenkammern 32 hinein. Aufgrund der Druckunterschiede strömt jeder Plasmajet 5 durch die Kathodenbohrung 6 und die Anodenbohrung 7 in den Prozeßraum 33.In Fig. 2a is a longitudinal section through a schematic illustrated first embodiment of the Device for generating several linearly arranged Low temperature plasma jets mapped, with each plasma jet 5 separately in a single hollow cathode chamber 32 of a single hollow cathode 12 is generated. The plasma jets 5 each penetrate an area between the cathode bore 6 and the anode bore 7. They extend beyond the bore areas both in the process space 33 and in the single hollow cathode chambers 32 in. Because of the pressure differences each plasma jet 5 flows through the Cathode bore 6 and the anode bore 7 in the process space 33rd

    Eine Gesamthohlkathode 27 ist koaxial in einer Gesamthohlanode 13 angeordnet und durch keramische Isolierstücke 20 a-d elektrisch von der geerdeten Gesamthohlanode 13 isoliert. So wird ein Dunkelraum 26 mit einer Breite von vorzugsweise 2,5 mm geformt. Die Gesamthohlkathode 27 wird über die Hochfrequenzzuführung 14 mit hochfrequenter Leistung versorgt. Dabei wird zur Isolierung der Hochfrequenzzuführung in der Anode 19 eine Hülse vorzugsweise aus PTFE (Polytetrafluorethylen) verwendet.An overall hollow cathode 27 is coaxial in one Total hollow anode 13 arranged and by ceramic Insulating pieces 20 a-d electrically from the grounded total hollow anode 13 isolated. So a dark room 26 with a width of preferably 2.5 mm. The Total hollow cathode 27 is via the high frequency feed 14 supplied with high-frequency power. there is used to isolate the high frequency feed in the Anode 19 is a sleeve, preferably made of PTFE (Polytetrafluoroethylene) used.

    Mehrere Einzelhohlkathoden 12 sind linear zu einer Gesamthohlkathode 27 angeordnet. Die Einzelhohlkathodenkammern 32 der Einzelhohlkathoden 12 werden über eine Kathodengaszuführung 16 mit Arbeitsgas versorgt. Das Arbeitsgas strömt jeweils durch einen Einzelhohlkathodengaseinlaß 15 in die Einzelhohlkathodenkammern 32. Eine Gesamtgaszuführung 18 führt das Arbeitsgas von außen beidseitig der Vorrichtung der Gesamthohlkathode 27 zu. Eine Isolierstrecke 17 isoliert die Gesamtgaszuführung 18 von der Kathodengaszuführung 16. Diese Isolierstrecke 17 ist so ausgeformt, daß eine parasitäre Entladung zwischen Gesamthohlanode 13 und der Gesamthohlkathode 27 unterbunden wird. Several single hollow cathodes 12 are linear a total hollow cathode 27 is arranged. The single hollow cathode chambers 32 of the single hollow cathodes 12 via a cathode gas supply 16 with working gas provided. The working gas flows through one Single hollow cathode gas inlet 15 into the single hollow cathode chambers 32. A total gas supply 18 leads the working gas from the outside on both sides of the device the total hollow cathode 27. An insulation section 17 isolates the total gas supply 18 from the cathode gas supply 16. This insulating section 17 is shaped so that a parasitic discharge between Total hollow anode 13 and the total hollow cathode 27 is prevented.

    Die Gesamthohlkathode 27 umfaßt ein Gesamthohlkathodenrohr 28, welches beim Ausführungsbeispiel einen Innendurchmesser von 43 mm bei einer Wandstärke von etwa 10 mm und einer Länge von beispielsweise 300 mm hat. Die Gesamthohlanode 13 hat eine Innendurchmesser von 68 mm und eine Wandstärke von vorzugsweise 6 mm bei einer Länge von 324 mm. Die Kathodenbohrungen 6 bilden zusammen mit den gegenüberliegenden Anodenbohrungen 7 eine Reihe parallel zu einer Längsachse der Gesamthohlkathode 27. Jeweils eine Kathodenbohrung 6 und eine Anodenbohrung 7 sind als axial fluchtendes Bohrungspar angeordnet.The total hollow cathode 27 comprises a total hollow cathode tube 28, which in the exemplary embodiment Inside diameter of 43 mm with a wall thickness of about 10 mm and a length of, for example, 300 mm Has. The total hollow anode 13 has an inner diameter of 68 mm and a wall thickness of preferably 6 mm at a length of 324 mm. The cathode bores 6 form together with the opposite anode holes 7 shows a row parallel to a longitudinal axis of FIG Total hollow cathode 27. One cathode hole each 6 and an anode hole 7 are axially aligned Hole par arranged.

    Die Kathodenbohrung 6 hat einen Durchmesser von vorzugsweise 10 mm. Die in dem Beispiel dargestellten Anodenbohrungen 7 haben jeweils einen Durchmesser von 4 mm. Durch den Gasfluß des in jede Einzelhohlkathodenkammer 32 unter einem erhöhten Druck gegenüber dem Prozeßraum 33 einströmenden Arbeitsgases, strömt ein Plasmajet 5 aus den Bohrungen 6 und 7 in den Prozeßraum 33. Die Gesamtgaszuführung 18 wird z.B. durch ein 6 mm starkes Edelstahlrohr gebildet.The cathode bore 6 has a diameter of preferably 10 mm. The ones shown in the example Anode holes 7 each have a diameter of 4 mm. Due to the gas flow in each hollow cathode chamber 32 under increased pressure over that Process space 33 flowing in working gas, flows in Plasmajet 5 from the holes 6 and 7 in the process room 33. The total gas supply 18 is e.g. by formed a 6 mm thick stainless steel tube.

    Beim Ausführungsbeispiel sind insgesamt 15 Einzelhohlkathoden 12 bzw. 15 Einzelhohlkathodenkammern 32 vorgesehen, von denen jedoch nur fünf in der Fig. 2a dargestellt sind. Die Einzelhohlkathoden 12 mit den Einzelhohlkathodenkammern 32 werden beim Ausführungsbeispiel auf folgende Weise gebildet: Die Kathodengaszuführung 16 ist durch ein Rohr von 6 mm Durchmesser realisiert, auf dem mehrere Scheiben 29 von der Dicke 1 mm und dem Durchmesser 43 mm mit einem jeweiligen Abstand von vorzugsweise 20 mm befestigt sind. Das Rohr 16 mit den Scheiben 29 wird in das die Gesamthohlkathode 27 bildende Rohr 28 geschoben und bildet somit toroidale Einzelhohlkathodenkammern 32 der Einzelhohlkathoden 12. Das die Kathodengaszuführung bildende Rohr 16 weist Wanddurchbrüche 15 auf, durch die das Arbeitsgas in die Einzelhohlkathodenkammern 32 gelangt. Die Zahl der Wanddurchbrüche 15 entspricht der Zahl der Einzelhohlkathodenkammern 32. Als Arbeitsgas kann jedes nicht polymerisierende Gas verwendet werden.In the exemplary embodiment there are a total of 15 single hollow cathodes 12 or 15 single hollow cathode chambers 32 provided, of which only five in the Fig. 2a are shown. The single hollow cathodes 12 with the single hollow cathode chambers 32 in the embodiment formed in the following way: The Cathode gas supply 16 is through a tube of 6 mm Realized diameter on which several disks 29th with a thickness of 1 mm and a diameter of 43 mm fixed at a respective distance of preferably 20 mm are. The tube 16 with the washers 29 is in pushed the tube 28 forming the entire hollow cathode 27 and thus forms toroidal single hollow cathode chambers 32 of the single hollow cathodes 12. The cathode gas supply forming tube 16 has wall openings 15 through which the working gas into the single hollow cathode chambers 32 arrives. The number of wall openings 15 corresponds to the number of single hollow cathode chambers 32. Any non-polymerizing gas can be used as the working gas Gas can be used.

    Diese lineare Vorrichtung ist so konstruiert, daß sich eine in diskreten Einheiten von 300 mm verlängerbare Vorrichtung zur Erzeugung einer beliebig großen Anzahl von Hochfrequenz-Hohlkathoden Niedertemperatur-Plasmajets ergibt. Um eine beidseitige Behandlung bzw. Beschichtung eines Substrates zu erreichen, können zwei parallele linear ausgebildete Vorrichtungen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Substrates einander gegenüberliegend angeordnet werden. Die Hochfrequenzleistung wird über einen symmetrischen HF-Verteiler dem Vorrichtungspaar zugeführt. Dieser Verteiler ist so konstruiert, daß der Abstand der beiden Vorrichtungen zueinander variiert werden kann. Die Hochfrequenzleistung wird über eine Steckverbindung, die ebenfalls das Modularitätsprinzip unterstützt, in die Gesamthohlkathode 27 eingekoppelt.This linear device is designed so that one that can be extended in discrete units of 300 mm Device for generating any large number of high-frequency hollow cathode low-temperature plasma jets results. To a bilateral Treatment or coating of a substrate can achieve two parallel linear trained Devices perpendicular to the direction of movement of the Substrate are arranged opposite to each other. The high frequency power is balanced RF distributor fed to the pair of devices. This distributor is designed so that the distance of the two devices can be varied to each other can. The high-frequency power is via a plug connection, which is also the principle of modularity supported, coupled into the total hollow cathode 27.

    Prinzipiell ist es auch möglich, mehr als zwei der erfindungsgemäßen Vorrichtungen derart anzuordnen, daß dreidimensionale Objekte von allen Seiten beschichtet werden können.In principle, it is also possible to have more than two to arrange the devices according to the invention in such a way that three-dimensional objects from all sides can be coated.

    Fig. 2b zeigt einen Querschnitt durch eine toroidale Einzelhohlkathode 12 der Vorrichtung mit Prozeßraum und Substrat.2b shows a cross section through a toroidal Single hollow cathode 12 of the device with process space and substrate.

    Der Plasmajet 5 regt das außerhalb der Vorrichtung zugeführte Monomer 22 in einem Remote-Prozeß, analog dem Aufsatz von Korzec, Theirich, Werner, Traub und Engemann, Surf. and Coating Technol. 74-75, p. 67-74 (1995), zur Polymerisation auf der Oberfläche eines Substrat 24, an. Das zu polymerisierende Monomer 22 wird durch eine Monomergaszuführung 21 a,b mit Bohrungen, die nahe der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet ist, zugeführt. Es bildet sich eine beschichtende Plasmazone 23 im Prozeßraum 33 aus. Das Monomer polymerisiert auf dem Substrat 24 und bildet einen Plasmapolymerfilm 25. Die Ionendichte innerhalb eines Plasmajets 5 beträgt bis zu 1012 Ionen pro cm3.The plasma jet 5 excites the monomer 22 supplied outside the device in a remote process, analogously to the article by Korzec, Theirich, Werner, Traub and Engemann, Surf. and Coating Technol. 74-75, p. 67-74 (1995), for polymerization on the surface of a substrate 24. The monomer 22 to be polymerized is fed through a monomer gas feed 21 a, b with bores, which is arranged near the device according to the invention. A coating plasma zone 23 is formed in the process space 33. The monomer polymerizes on the substrate 24 and forms a plasma polymer film 25. The ion density within a plasma jet 5 is up to 10 12 ions per cm 3 .

    In Fig. 3a ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Diese Vorrichtung arbeitet nach dem gleichen Prinzip und ermöglicht ebenfalls die Erzeugung einer Vielzahl von intensiven Hochfrequenz-Hohlkathoden-Niedertemperatur-Plasmajets. Während das in den Fig. 2a und 2b gezeigte Beispiel eine lineare Anordnung von Einzelhohlkathodenkammern 32 der Einzelhohlkathoden 12 zeigt, sind hier die Einzelhohlkathoden 12 mit den Einzelhohlkathodenkammern 32 entlang einer Ebene angeordnet. Dies führt zu einer matrixartigen Ausbildung von Plasmajets. In Fig. 3a is a second embodiment shown. This device works according to the same principle and also enables generation a variety of intense high-frequency hollow cathode low-temperature plasma jets. While that in 2a and 2b example shown a linear Arrangement of single hollow cathode chambers 32 of the single hollow cathodes 12 shows the single hollow cathodes here 12 along with the single hollow cathode chambers 32 arranged on one level. This leads to a Matrix-like formation of plasma jets.

    Im Gegensatz zu den ringförmigen Einzelhohlkathodenkammern 32 in den Fig. 3a und 3b sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Einzelhohlkathodenkammern 32 kreiszylindrisch ausgebildet. Die Zuführung des Arbeitsgases erfolgt hier jeweils von einer Stirnseite des Zylinders her durch einen Gaseinlaß 15. Der Gasauslaß, die Bohrung 6 im Kammergehäuse der Einzelhohlkathode 12, ist jeweils auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Zylinders angeordnet.In contrast to the annular single hollow cathode chambers 32 in FIGS. 3a and 3b are in this Embodiment the single hollow cathode chambers 32nd circular cylindrical design. The feeding of the Working gas is emitted from one end face the cylinder forth through a gas inlet 15. The Gas outlet, the bore 6 in the chamber housing of the single hollow cathode 12, is on the opposite End face of the cylinder arranged.

    Die Einzelhohlkathoden 12 befinden sich in einer Gesamthohlkathode 27, die selbst innerhalb der Gesamtanode 13 angeordnet ist. Gesamthohlkathode 27 und Gesamtanode 13 sind durch keramische Isolierstücke 20 a-d voneinander getrennt. Die Gesamtanode 13 befindet sich auf dem elektrischen Erdpotential. Die Gesamthohlkathode 27 wird über die Hochfrequenzzuführung 14 mit hochfrequenter Leistung versorgt. Die Hochfrequenzzuführung 14 ist von der Anode 19 elektrisch isoliert, wobei als Isoliermaterial vorzugsweise PFTE (Polytetrafluorethylen) verwendet wird. In jeder Einzelhohlkathodenkammer 32 der Einzelhohlkathoden 12 brennt ein Hohlkathodenplasma 3. Die Gesamthohlkathode 27 wird über die Isolierstrecke 17 der Gaszuführung und über die Gesamtgaszuführung 18 mit einem nichtpolymerisierenden Arbeitsgas versorgt. Diese Isolierstrecke 17 der Gaszuführung ist so ausgeformt, daß eine parasitäre Entladung zwischen Gesamtanode 13 und der Gesamthohlkathode 27 unterbunden wird. The single hollow cathodes 12 are in one Total hollow cathode 27, which is even within the Total anode 13 is arranged. Total hollow cathode 27 and total anode 13 are by ceramic insulating pieces 20 a-d separated. The total anode 13 is at the electrical earth potential. The Total hollow cathode 27 is via the high frequency feed 14 supplied with high-frequency power. The High-frequency feed 14 is electrical from the anode 19 insulated, preferably as insulating material PFTE (polytetrafluoroethylene) is used. In each single hollow cathode chamber 32 of the single hollow cathodes 12 burns a hollow cathode plasma 3. Die Total hollow cathode 27 is over the insulating section 17th the gas supply and via the total gas supply 18 supplied with a non-polymerizing working gas. This insulating section 17 of the gas supply is shaped in such a way that a parasitic discharge between Total anode 13 and the total hollow cathode 27 prevented becomes.

    In Fig. 3b ist ein Querschnitt der Vorrichtung zur Erzeugung in Matrixform angeordneter Niedertemperatur-Plasmajets gezeigt. Das Arbeitsgas strömt von der Isolierstrecke 17 der Gaszuführung in die Kathodengaszuführung 16, die als Kanalsystem ausgebildet ist. Von der Kathodengaszuführung 16 strömt das Gas durch den Hohlkathodengaseinlaß 15 in jede einzelne Hohlkathodenkammer 32, um ein Hohlkathodenplasma 3 zu zünden. Ein Plasmajet 5 bildet sich im Bereich von Kathodenbohrung 6 und Anodenbohrung 7 und strömt durch die Anodenbohrung 7 in den Prozeßraum 33.3b is a cross section of the device for generating low-temperature plasma jets arranged in a matrix shown. The working gas flows from the insulating section 17 of the gas supply into the cathode gas supply 16, which is designed as a channel system is. The gas flows from the cathode gas supply 16 through the hollow cathode gas inlet 15 into each one Hollow cathode chamber 32 to a hollow cathode plasma 3 ignite. A plasma jet 5 forms in the range of Cathode bore 6 and anode bore 7 and flows through the anode bore 7 into the process space 33.

    Jede Einzelhohlkathodenkammer 32 der Hohlkathode 12 hat beim Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von vorzugsweise 20 mm bis 40 mm. Die Länge beträgt z.B. 50 mm. Die Gesamthohlkathode 27 hat beispielsweise eine Länge von ca. 264 mm bei einer Breite von z.B. 125 mm. Der Hohlkathodengaseinlaß 15 hat einen Durchmesser von 2 mm. Die Gesamthohlkathode 27 ist von einem Zwischenraum oder Dunkelraum 26 von der Breite 2 mm umgeben. Die Kathodenbohrung 6 hat einen Durchmesser von 10 mm und die Anodenbohrungen 7 haben einen Durchmesser von 4 mm. Durch den Gasfluß und den erhöhten Druck innerhalb der Einzelhohlkathodenkammern 32 gegenüber der Prozeßkammer 33 strömt ein Plasmajet 5 durch die Bohrungen 6 und 7 in den Prozeßraum 33. Die Gesamtgaszuführung 18 wird beispielsweise durch ein 6 mm starkes Edelstahlrohr gebildet. Das zu polymerisierende Monomer 22 wird durch eine nahe der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnete Monomergaszuführung 21 mit Bohrungen analog zur Fig. 2b zugeführt. Each single hollow cathode chamber 32 of the hollow cathode 12 has a diameter of preferably 20 mm to 40 mm. The length is e.g. 50 mm. The total hollow cathode 27 has, for example a length of approx. 264 mm with a width of e.g. 125 mm. The hollow cathode gas inlet 15 has a diameter of 2 mm. The total hollow cathode 27 is from a space or dark room 26 of width 2 mm surrounded. The cathode bore 6 has a diameter of 10 mm and the anode holes 7 a diameter of 4 mm. Through the gas flow and the increased pressure within the single hollow cathode chambers 32 flows in opposite to the process chamber 33 Plasmajet 5 through the holes 6 and 7 in the process room 33. The total gas supply 18 is, for example formed by a 6 mm thick stainless steel tube. The monomer 22 to be polymerized is by a arranged near the device according to the invention Monomergaszufuhr 21 with holes analogous to Fig. 2b supplied.

    Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Bereiches der Bohrungen 6, 7 der oben beschriebenen Vorrichtung. Das Verhältnis von Kathodenfläche zur Anodenfläche spielt für die Generierung des Plasmajets und den Betrieb der Vorrichtung eine wichtige Rolle, wie im Aufsatz von Horwitz, J. Vac. Sci. Technol. A1 Seite 60-68 (1983) beschrieben wird. Beim Ausführungsbeispiel ist die zylindrische Bohrung 7 der Gesamtanode 11 stufenartig ausgebildet. Der Plasmajet 5 strömt durch die Kathodenbohrung 6 zur Anodenbohrung 7. Ein Optimum der Flächenverhältnisse ist erreicht, wenn die Kathodenfläche und die Anodenfläche gleich groß sind. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedeutet dies, daß die dem Plasmajet 5 zugewandte Fläche der Anodenbohrung 7 in etwa so groß sein sollte, wie die Innenfläche jeder Einzelhohlkathode 12. Dadurch, daß sich die Anodenbohrung 7 zum Prozeßraum 33 hin stufenartig erweitert, wird dem Plasmajet 5 eine größere effektive Fläche zur Verfügung gestellt, als es der Fall bei einer kreiszylindrischen Bohrung ist.FIG. 4 shows an enlarged section of the area of the bores 6, 7 of the device described above. The ratio of cathode area to anode area plays an important role for the generation of the plasma jet and the operation of the device, as in the article by Horwitz, J. Vac. Sci. Technol . A1 page 60-68 (1983). In the exemplary embodiment, the cylindrical bore 7 of the entire anode 11 is designed step-like. The plasma jet 5 flows through the cathode bore 6 to the anode bore 7. An optimum area ratio is achieved when the cathode surface and the anode surface are of the same size. In the device according to the invention, this means that the surface of the anode bore 7 facing the plasma jet 5 should be approximately as large as the inner surface of each individual hollow cathode 12. Because the anode bore 7 widens in steps towards the process space 33, the plasma jet 5 becomes one larger effective area is provided than is the case with a circular cylindrical bore.

    Die Anodenbohrung 7 kann sich zum Prozeßraum hin auch konisch oder gekrümmt erweitern. Gleiches gilt für die Kathodenbohrung 6.The anode bore 7 can face the process space also expand conically or curved. same for for the cathode hole 6.

    Durch diese erfindungsgemäße Anordnung läßt sich die Spannungsverteilung an den Hochfrequenzelektroden so einstellen, daß man hochintensive Plasmajets extrahieren kann. Es wird sichergestellt, daß der elektrische Entladungstrom über die Oberfläche der zylindrischen, gestuften Anodenbohrung 7 abfließt und eine Umhüllung der Gesamtanode 11 mit den Anodenbohrungen 7 mit einem Plasma vermieden wird.This arrangement according to the invention can the voltage distribution at the high-frequency electrodes adjust so that you get high-intensity plasma jets can extract. It is ensured that the electric discharge current across the surface of the cylindrical, stepped anode bore 7 flows and a covering of the entire anode 11 with the anode bores 7 is avoided with a plasma.

    Anstelle der beiden beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen der Vorrichtung, ist es auch möglich, mehrere separate Einzelhohlkathodenkammern ringförmig anzuordnen. Die Plasmajets können dabei entweder in einen Prozeßraum extrahiert werden, der sich innerhalb des vom Ring umschlossenen Bereiches befindet, oder in einen Prozeßraum außerhalb des Ringes. Als Anwendung für eine derartige Vorrichtung kommt beispielsweise die Deposition von funktionalen Schichten auf der Außenumfangsfläche oder auf der Innenumfangsfläche eines rohrförmigen Körpers in Betracht. Dieser kann relativ zu der ringartig ausgebildeten Vorrichtung bewegt werden, wobei während dieser Bewegung die Deposition der funktionalen Schicht stattfindet.Instead of the two described and illustrated Embodiments of the device, it is possible, several separate single hollow cathode chambers to be arranged in a ring. The plasma jets can either extracted into a process space that itself within the area enclosed by the ring located, or in a process room outside the ring. As an application for such a device comes, for example, the deposition of functional Layers on the outer peripheral surface or on the Inner peripheral surface of a tubular body in Consideration. This can be formed relative to the ring-like Device are moved, while during this movement the deposition of the functional Layer takes place.

    Alle oben beschriebenen Vorrichtungen zur Erzeugung einer Vielzahl von Plasmajets können bei geringen Drücken von einigen Millibar betrieben werden. Die beim Betrieb auftretenden Temperaturen sind in der Größenordnung von weniger als 500 °C.All of the devices described above for generation a variety of plasma jets can be used at low Pressures of a few millibars. The temperatures occurring during operation are in on the order of less than 500 ° C.

    Claims (22)

    1. Device for producing a plurality of low-temperature plasma jets (5) by means of high frequency power using cylindrical cathode discharges in at least one cylindrical cathode chamber (32) surrounded by a cylindrical cathode (12) comprising at least one inlet aperture (15) for an operating gas, with at least one anode (11) adjacent to the cylindrical cathode (12), the cylindrical cathode (12) and the anode (11) having mutually opposing apertures (6, 7), through which the plasma jets (5) arrive in a process space (33) from the cylindrical cathode chamber (32), characterised in that the device comprises a plurality of separate individual cylindrical cathode chambers (32), in that an individual cylindrical cathode chamber (32) is respectively associated as discharge space with each plasma jet (5), and in that apertures (6, 7) in the individual cylindrical cathodes (12) and in the anode (11) form pairs of holes axially aligning with one another.
    2. Device according to claim 1, characterised in that with the formation of individual cylindrical cathodes (12), the cylindrical cathode chamber is divided into a plurality of separate individual cylindrical cathode chambers (32) and each individual cylindrical cathode (12) has its own inlet aperture (15) for feeding in the operating gas.
    3. Device according to claim 1 or 2, characterised in that the individual cylindrical cathode chambers (32) are arranged in rows.
    4. Device according to claim 3, characterised in that the row arrangement extends in a linear fashion.
    5. Device according to claim 3, characterised in that the individual cylindrical cathode chambers (32) are arranged in an annular manner.
    6. Device according to claim 1 or 2, characterised in that the individual cylindrical cathode chambers (32) are arranged along a face.
    7. Device according to claim 6, characterised in that the face is a plane.
    8. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the individual cylindrical cathode chambers (32) are arranged on a plurality of mutually opposing sides of a process space (33).
    9. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the individual cylindrical cathode chambers (32) are formed by arranging partitions (29) in a general cathode housing (27).
    10. Device according to claim 9, characterised in that the general cathode housing (27) is surrounded by a general anode housing (13).
    11. Device according to claim 10, characterised in that the general anode housing (13) is electrically earthed.
    12. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that apertures (7) in the anode (11) widen respectively toward the process space at least in certain regions (33).
    13. Device according to claim (12), characterised in that the apertures (7) in the anode (11) widen in a stepwise manner toward the process space (33).
    14. Device according to claim (13), characterised in that the steps are each formed by a collar arranged on the process-side wall of the anode (11).
    15. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that apertures (6) in the individual cylindrical cathodes (12) widen toward the discharge space at least in certain regions.
    16. Device according to claim 15, characterised in that apertures (6) in the individual cylindrical cathodes (12) widen in a stepwise manner toward the discharge space.
    17. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that at least one device (21) for introducing a monomer (22) into the process space (33) is provided in the region of at least one plasma jet (5).
    18. Device according to any one of claims 9 to 17, in particular according to claim 9, characterised in that the operating gas is fed to the individual cylindrical cathodes (12) through an insulating section (17) arranged between the general cathode housing (27) and the general anode (11).
    19. Device according to claim 18, characterised in that provided inside the general cathode housing (27) is a gas distribution system (16) separately supplying each individual cylindrical cathode chamber (32) with the operating gas.
    20. Device according to claim 19, characterised in that the gas distribution system (16) is formed by a tube.
    21. Device according to claim 20, characterised in that wall openings (15) are arranged on the tube (16), through which the operating gas arrives into the individual cylindrical cathode chambers (32).
    22. Device according to claim 21, characterised in that the individual cylindrical cathode chambers (32) are toroidal in design and are arranged in rows and the tube (16) is the centre line of the arrangement.
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