EP1767068A2 - Device for the treatment of a substrate by means of at least one plasma jet - Google Patents

Device for the treatment of a substrate by means of at least one plasma jet

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EP1767068A2
EP1767068A2 EP05753782A EP05753782A EP1767068A2 EP 1767068 A2 EP1767068 A2 EP 1767068A2 EP 05753782 A EP05753782 A EP 05753782A EP 05753782 A EP05753782 A EP 05753782A EP 1767068 A2 EP1767068 A2 EP 1767068A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
electrodes
carrier gas
container
plasma
Prior art date
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Granted
Application number
EP05753782A
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German (de)
French (fr)
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EP1767068B1 (en
Inventor
Jürgen ENGEMANN
Darius Korzec
Markus Teschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Original Assignee
JE PlasmaConsult GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by JE PlasmaConsult GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen GmbH filed Critical JE PlasmaConsult GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP1767068B1 publication Critical patent/EP1767068B1/en
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/26Plasma torches
    • H05H1/32Plasma torches using an arc
    • H05H1/44Plasma torches using an arc using more than one torch
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/2406Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • HELECTRICITY
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    • H05H1/2406Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • H05H1/2443Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes the plasma fluid flowing through a dielectric tube
    • H05H1/246Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes the plasma fluid flowing through a dielectric tube the plasma being activated using external electrodes

Definitions

  • the invention relates to a device for processing a
  • the invention is based on a device according to DE 197 22 624 C2, which goes back to the applicant.
  • An apparatus for generating a large number of low-temperature plasma jets is described there.
  • the plasma jets are generated using hollow cathode discharges. Openings in single hollow cathodes and in the anode form axially aligned pairs of holes.
  • the plasma jets each penetrate an area between the cathode bore and the anode bore and extend beyond the bore areas into a process space.
  • the object of the invention is to develop a device according to the preamble of claim 1 in such a way that it can be used to generate plasma jets in an efficient manner, even at working pressures in the range of atmospheric pressure, while enabling a large machining depth.
  • the invention solves this problem with the features of claim 1, in particular with those of the identification part, and is accordingly characterized in that the two electrodes are separated from one another by at least one dielectric barrier an AC voltage is applied between the electrodes for generating an atmospheric pressure glow discharge plasma, and that the first electrode is axially and radially spaced from the second electrode with respect to the flow direction of the carrier gas.
  • the principle of the invention is first of all to provide an atmospheric pressure glow discharge instead of a hollow cathode discharge as proposed by the prior art.
  • An atmospheric pressure glow discharge plasma requires a dielectric barrier between the two electrodes and, compared to the hollow cathode discharge, represents a completely different physical principle of plasma generation, which leads to a different type of plasma.
  • the term “atmospheric pressure glow discharge plasma” makes it clear that this plasma can also burn at atmospheric pressure and the device can be operated accordingly at atmospheric pressure. Working pressures in the range between 50 mbar and 10 bar are possible and useful.
  • the device according to the invention thus differs from the device according to DE 197 22 624 C2, which conventionally can only be operated at a few mbar using a vacuum pump.
  • the vacuum pump required in the prior art can be dispensed with.
  • operation with the device according to DE 197 22 624 C2 is also conceivable at higher working pressures.
  • the discharge channels must then have a very small diameter in the range of a few ⁇ m, taking into account the free path length of the electrons, which leads to a complex construction. In this case, however, plasma jets would not be generated, but hollow micro-cathode discharges.
  • a plasma jet in the sense of the invention is an atmospheric pressure glow discharge plasma which, when viewed optically in the operating state of the device, has a jet or jet shape and is extracted from the device, in particular from the container, and is distanced up to one extends from the device arranged substrate.
  • the substrate can be arranged in a stationary manner during processing by the device or can undergo movement relative to the device.
  • Processing of a substrate in the sense of the invention is understood to mean any treatment, in particular surface treatment, of a substrate, in particular a coating, structuring (lithography), cleaning or modification of the substrate surface or of the substrate.
  • the plasma jet is a cold, chemically reactive plasma jet that burns at low temperatures of a few 10 ° C.
  • the chemically reactive and physically excited species are provided to each plasma jet with the aid of a dielectrically impeded primary discharge.
  • the plasma jets in the form of arc discharge have been known for a long time. There are different variants and applications
  • the manner in which the gas is fed into the device also plays an important role in the devices of the prior art. This deals with e.g. WO 01/43512.
  • the gas is introduced into the discharge zone at a certain azimuthal and axial angle, so that a swirling of the gas flow occurs. This leads to an increase in the efficiency of the interaction of the discharge with the gas.
  • This device is used for cleaning rollers and belts (cf. EP 1 170 066).
  • An "atmospheric-pressure plasma jet” according to US Pat. No. 5,961,772 has, in addition to a narrowing nozzle area, also a coaxial space between the inner electrode and the outer electrode, in which the carrier gas is treated over a considerably longer distance than in the device discussed above helium the device is operated in the “Atmospheric Pressure Glow Discharge (APGD) mode.
  • APGD Adorospheric Pressure Glow Discharge
  • This means that a non-equilibrium, relatively cold (gas temperature below 250 ° C) plasma with high energy stored in metastably excited species is formed in the coaxial space, which allows the generation of a long plasma jet.
  • Supplementing this device with means for supplying the process gas in the vicinity of the outlet nozzle according to WO 99/20809 enables the generation of a chemically reactive plasma jet.
  • WO 01/40543 solves the problem with the aid of an inner envelope gas guided on the surface of the outer electrode, which separates the zone of the plasma generated with process gas from the electrode surface.
  • the solution for providing the process gas is a direct supply into the zone of the plasma jet, e.g. the supply of a carbon-containing monomer for the construction of diamond films using a method and a device according to EP 0388861.
  • FIG. 2 of US 2002/0097295 describes a device in which two electrodes, the “up-stream” electrode 1 and the “down-stream” electrode A, are attached to a common dielectric tube.
  • the two electrodes 1, A are essentially sleeve-shaped and surround the dielectric tube. They are axially spaced apart.
  • the primary discharge 4 forms in the axial direction between the two electrodes and can pass into a plasma jet 5b, provided that suitable geometric dimensions and operating parameters are selected.
  • the generation of plasma jets is not a primary goal of the device described in this patent application.
  • a problem with this arrangement is, moreover, that the ignition distance between the electrodes inside and outside the tube is of the same length and thus a parasitic discharge in the outer region cannot be ruled out.
  • Koinuma et al describe a device in US Pat. No. 5,221,427 and a method for treating surfaces under atmospheric pressure with a plasma jet in US Pat. No. 5,198,724.
  • a working gas typically a helium gas mixture, passed through a coaxial area between the axially positioned inner electrode and the electrically insulating outer tube and the outer electrode and converted to a primary discharge with the electromagnetic field built up there between the inner electrode and the outer electrode with the aid of a voltage generator and then in the form of a chemically and physically activated plasma jet in the direction of the substrate.
  • There the plasma jet effects surface modification, layer deposition, cleaning or other plasma processes.
  • means for generating a magnetic field are applied behind the substrate in order to influence the shape of the plasma jet and its direction.
  • EP 0921713 A2 is based on the reverse arrangement of the coaxial electrodes and the dielectric barrier. In this case, the working gas in the coaxial zone between the outer electrode and the dielectric sheath of the inner electrode is guided in the axial direction.
  • the device according to the invention also differs significantly from the devices described above by its electrode geometry. It is provided according to the invention that the first electrode is axially and radially spaced from the second electrode in relation to the flow direction of the carrier gas. Such an electrode geometry initially requires a flow direction of the carrier gas. It is assumed that the carrier gas essentially flows along a straight line in the region of the two electrodes.
  • the direction of flow of the carrier gas in the region of the electrodes corresponds to the longitudinal extent of the container in the region of the electrodes, for example a central longitudinal axis of the container.
  • the first electrode and the second electrode are spaced axially and radially from one another.
  • the carrier gas flows along the direction of flow between the two electrodes, main discharge channels being formed between the two electrodes due to the AC voltage applied.
  • the main discharge channels essentially form along the shortest connecting lines between the two electrodes. Since the first electrode is axially and radially spaced from the second electrode, the shortest connecting line between the two electrodes is arranged essentially obliquely to the direction of flow of the carrier gas. This enables a particularly intensive interaction between the carrier gas and the discharge.
  • a particularly long shortest connecting line which runs obliquely to the flow direction of the carrier gas, can be achieved.
  • the shortest connecting lines between the two electrodes, which are selected too long, have a disadvantageous effect on the plasma generation. There is an optimal length of the shortest connecting line.
  • the electrode geometry according to the invention differs from an electrode geometry which only provides electrodes which are radially spaced apart from one another by an inclination of the shortest connecting line relative to the flow direction of the carrier gas, which improves the interaction between plasma and carrier gas.
  • the electrode geometry according to the invention differs from an electrode arrangement which only axially spaces electrodes by an essential component of the shortest connecting line and a main discharge channel aligned essentially along the shortest connecting line, essentially transverse to the flow direction of the carrier gas.
  • main discharge channels form according to the invention along a direction oblique to the flow direction of the carrier gas, a large volume fraction of the carrier gas can interact with the plasma, so that an efficient mode of operation is possible.
  • an axial spacing of the two electrodes from one another means a spacing along the flow direction of the carrier gas.
  • a radial spacing of the two electrodes from one another in the sense of the present patent application means a spacing of the two electrodes from one another transversely to the direction of flow of the carrier gas.
  • the device can be realized in the form of a much lighter, more easily scalable and thus less complex construction.
  • the gas flow in the device according to the invention in particular within the container, enables a laminar flow to be maintained, as a result of which, according to the experiments carried out, the plasma jet becomes longer and the treatment area of a plasma jet becomes larger.
  • a process gas in addition to the carrier gas.
  • a separate container in the manner of an inner tube can be provided for this purpose, which is arranged concentrically with the outer container.
  • the annulus between the inner tube and the The container is flowed through by carrier gas, with process gas flowing through the inner tube.
  • a core area consisting of process gas and a jacket area are formed, which is formed by the plasma jet.
  • the process gas is brought up to the substrate within the plasma jacket and through the plasma jacket.
  • the carrier gas has a much higher concentration of metastably excited species than the process gas, a much higher degree of ionization can be achieved in the carrier gas with the same coupled power than in the process gas. Therefore, a higher electron concentration and consequently a higher electrical conductivity can be achieved in a jacket area consisting of carrier gas.
  • the electromagnetic power can be transported along such a plasma jet over longer distances and over larger substrate areas. The process depth, i.e. the processing depth, and the process homogeneity are significantly improved.
  • the device according to the invention operates, for example, in a frequency range from approximately 1 kHz to a few tens of kHz, which is sufficient to work in the operating mode of the atmospheric pressure glow discharge and which enables the capacitive coupling of power through the dielectric barrier.
  • a frequency range from approximately 1 kHz to a few tens of kHz, which is sufficient to work in the operating mode of the atmospheric pressure glow discharge and which enables the capacitive coupling of power through the dielectric barrier.
  • higher frequencies up to the MHz range can also be used.
  • an expensive tuning unit can be dispensed with when operating in the low kHz range.
  • the dielectric losses are also significantly lower compared to high frequency or microwaves. All of these technical advantages lead to a significant increase in the cost-effectiveness of the device in comparison with the devices of this type belonging to the prior art.
  • Three-dimensional substrates are those substrates which have a special surface topography, which has, for example, wave troughs and wave crests or some other structuring. Thanks to the high production of metastably excited atoms or molecules and their direct delivery to the substrate surface, it is possible to carry out the already known processes such as surface modification, cleaning, degreasing with higher process rates and better homogeneity. In addition, it is possible to carry out the deposition processes analogously to low-pressure PECVD processes, since it is possible according to the invention to expose the substrate surface or even its internal structure to the action of metastably excited species. This can be achieved by additionally supplying monomers in the form of gas, steam or liquid to the substrate surface or into the substrate structure.
  • the container is a cylindrical, in particular circular cylindrical, tube educated. This enables a laminar flow of the carrier gas to be generated.
  • a container enables the concentric arrangement of an inner container within which a process gas can additionally be guided.
  • the arrangement of the electrodes on the container can be carried out in a simple manner, advantageously in such a way that one electrode is arranged outside the container, or on its outer surface, and the other electrode is arranged in the interior of the container. A particularly simple radially and axially spaced arrangement of the electrodes can be achieved in this way.
  • Any axially elongated container which has a substantially constant cross section over its axial extent is regarded as a cylindrical tube in the sense of the present patent application.
  • the cross section can be rectangular, in particular square, but also elliptical.
  • the container is preferably a circular cylindrical tube.
  • Any other cross sections are also conceivable, e.g. Polygon trains, or pipe cross sections, which have straight sections and curved sections.
  • the tube consists of a dielectric material, in particular an oxide or nitride ceramic or glass. This enables a particularly simple embodiment of the device according to the invention in such a way that a wall area of the tube directly provides the dielectric barrier.
  • a second (inner) container for a process gas is arranged within the container.
  • This enables a concentric arrangement of the inner container and the (outer) container, so that the Plasma jet emerging from the (outer) container envelop an inner core area of process gas in a jacket-like manner and can thus lead to the substrate surface.
  • the ratio of the cross section of the area of the container through which carrier gas flows to the cross section of the inner container is equal to the ratio of the flow of carrier gas to the flow of process gas. This enables a particularly efficient operation of the device according to the invention.
  • the flow direction of the process gas is essentially parallel to the flow direction of the carrier gas. This enables laminar flows to be achieved in a particularly simple manner.
  • the inner container consists of a dielectric material, in particular of an oxide or nitride ceramic or of glass.
  • This embodiment of the invention enables a particularly simple construction of the device and a simple arrangement of the radially inner electrode on the inner container.
  • At least one electrode is essentially ring-shaped or sleeve-like.
  • This embodiment of the invention also enables an at least partial rotational symmetry of the device, which can ensure a particularly efficient interaction of the plasma with the carrier gas, since a large number of possible discharge channels can be formed.
  • both electrodes are essentially ring-shaped or sleeve-like. The two electrodes are axially spaced from one another and have different diameters, so that an inner and an outer electrode are formed, which means that the electrodes are radially spaced apart. With this arrangement, an infinite number of shortest connecting lines between the two electrodes is conceivable.
  • the two electrodes have active edges facing one another, which are of circular marginal edges of the two electrodes.
  • the shortest connecting lines between the two electrodes are those which are perpendicular to the two active edges.
  • the active edge of an electrode is the outermost boundary edge that is closest to the other electrode. If, for example, as shown in FIGS. 7 and 8 of this patent application, there are essentially plate-shaped electrodes 17 and 18 arranged parallel to one another, the active edges are the mutually parallel, immediately adjacent or opposite edge edges 25a, 25b.
  • the active edges of the electrodes are the outermost edges of the electrodes which are immediately adjacent to one another.
  • at least one electrode has an active edge facing the other electrode which deviates from a circular shape.
  • projections can be provided on the active edges for this purpose, which shorten the shortest connecting line between the electrodes. This results in a predetermined number of precisely defined and geometrically defined shortest connecting lines.
  • the discharge channels are primarily formed along these shortest connecting lines between the two electrodes.
  • the interaction between the plasma and the carrier gas can be further optimized by calculating the geometry of the electrodes and by calculating the spatial arrangement and the length of the shortest connecting line or several shortest connecting lines between the two electrodes.
  • the shortest connecting line between two active edges of the two electrodes is curved.
  • the shortest connecting line between two active edges of the two electrodes is the geometric vector that connects the two electrodes to one another in the shortest possible way.
  • a shortest connecting line in the sense of the present patent application also cuts through the dielectric barrier.
  • a curved shortest connecting line in the case of a concentric arrangement of the inner tube and outer tube does not, however, cut through the dielectric inner tube, but rather, for example, nestles helically against the inner tube. This definition of a shortest connecting line takes into account the electromagnetic fields actually created.
  • a curved shortest connecting line between two active edges of the electrodes can also be formed by that a radially outer electrode is formed by segmentation in such a way that a shortest connecting line consists of different sections of different directions and thus overall forms a connecting line approximating a curved connecting line.
  • a curved shortest connecting line enables a further improved interaction between the plasma and the carrier gas.
  • the shortest connecting line between the two active edges can be designed to be helical and thus wind around the inner tube in a helical manner, at least in sections.
  • At least one electrode is segmented.
  • at least one electrode consists of at least two electrically conductive electrode components, for example electrode surfaces, which are separated from one another.
  • a voltage is only applied to a first electrode segment.
  • a voltage is induced in the second electrode segment.
  • the shortest connecting line between the two electrodes advantageously runs essentially overall between the first electrode segment and the other electrode.
  • a first section of a shortest connecting line runs between the second electrode segment and an inner electrode and another section of the shortest connecting line runs between the second electrode segment and the first electrode segment.
  • the shortest connecting line between the two electrodes therefore comprises a total of two sections of different directions or has a basic shape approximating the two sections. Segmentation of an electrode can be used to influence the discharge channel and, for example, to give it a previously determined and pre-calculated spatial shape. In this way, the interaction between plasma and carrier gas can be further optimized.
  • the first electrode is arranged upstream and the second electrode downstream, based on the direction of flow of the carrier gas.
  • the first electrode can be arranged on an outer lateral surface of the inner container and can face the carrier gas with its electrically conductive, in particular metallic outer lateral surface.
  • This embodiment of the invention enables a particularly simple contacting of the first electrode for connection to a voltage generator.
  • the carrier gas can flow past the metallic outer surface of the first electrode before it is supplied to the plasma. The electrode geometry can therefore be achieved with comparatively little design effort.
  • the device is combined with at least one further device to form a row arrangement.
  • a device that can generate a large number of plasma jets for processing a substrate.
  • a plurality of devices for example five to ten devices, advantageously extend along a row.
  • Several rows can also be composed of devices in a grid-like arrangement, a so-called “array”. It is particularly advantageous if several devices have a common carrier gas supply and / or a common one Have process gas supply. The design effort for such a device can be kept low in this way.
  • FIG. 1 is a partially sectioned, schematic view of a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows, in a representation according to FIG. 1, a second exemplary embodiment of the device according to the invention in the manner of a multi-jet plasma source
  • FIG. 3 shows a cylindrical projection of the two electrodes of a device according to FIG. 1 in a schematic illustration
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an electrode geometry in a representation according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of an electrode geometry in a representation according to FIG. 3,
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of an electrode geometry in a representation according to FIG. 3,
  • FIG. 7 shows a third embodiment of the device according to the invention in a schematic, partially sectioned side view similar to Fig. 1, and FIG. 8 shows the device according to FIG. 7 in a schematic, partially sectioned illustration approximately along section line VIII-VIII in FIG. 7.
  • the principle according to the invention should first be described with reference to the third
  • FIG. 7 shows a device 10 according to the invention for processing a substrate 11 or in particular for processing a surface 12 of the substrate 11 in a very schematic manner.
  • a plasma jet 13 can be extracted from the device 10 through an outlet 14 of the device 10 and can be brought up to the substrate 11. There he can carry out a processing of the surface 12, for example coating, structuring, modifying or the like.
  • FIG. 7 already shows that the substrate to be processed is arranged at a distance from the device 10.
  • the electrodes 17, 18 described below are thus arranged on the same side of the substrate 11.
  • the substrate 11 brought up to the device 10 does not influence the electrode potentials.
  • the device 10 comprises a cylindrical container 15, which in the embodiment consists of an insulating, that is dielectric, material is made. 8 shows that the container 15 has an essentially square cross section, which is formed by four side walls 16a, 16b, 16c, 16d.
  • a carrier gas, in particular helium flows through the container 15 essentially along the direction of flow of the arrow x.
  • the flow direction x essentially corresponds to the direction of a longitudinal central axis of the container 15.
  • a first, essentially plate-shaped electrode 17 is arranged on the lower side wall 16a of the container 15. With its bare upper side, ie with its metallic outer surface 19, it faces the interior 24 of the container 15.
  • a second, essentially plate-shaped electrode 18 is arranged with respect to FIGS. 7 and 8 above the upper side wall 16c of the container 15.
  • the second electrode 18 is provided with an insulating sheath 20.
  • the first electrode 17 is referred to as the upstream electrode and the second electrode 18 as the downstream electrode, which takes into account the direction x of the flow of the carrier gas.
  • the upstream electrode 17 is spaced from the downstream electrode 18 by the distance L in the axial direction, that is to say in the direction of the flow direction x of the carrier gas. At the same time, the upstream electrode 17 is spaced from the downstream electrode 18 by an amount R in the radial direction, that is to say transversely to the flow direction x of the carrier gas.
  • the two electrodes 17, 18 are therefore axially and radially spaced apart.
  • the shortest connecting line between the two electrodes 17, 18 is designated 21. This is the line that connects an outer edge 25a of the first electrode 17 with an outer edge 25b of the second electrode 18 in the shortest possible way.
  • the electrodes 17, 18 are essentially plate-shaped. Accordingly, the two mutually facing edge edges 25a, 25b of the two electrodes 17, 18, which are referred to below as active edges, are each aligned along a straight line and parallel to one another.
  • a main discharge channel 22 is formed in the region of the shortest connecting line 21, specifically in the Essentially along the shortest connecting line 21.
  • the main channel 22 of the discharge is shown schematically in FIGS. 1, 7 and 8 in cross section in the manner of a narrow, elongated cloud. Such an image also results for an observer if a suitable image is taken of the device in operation.
  • the interaction of the main discharge channel with the carrier gas forms a plasma 23, a so-called primary discharge, in the manner of a plasma cloud, which opens into a plasma jet 13 in the direction of the substrate 11.
  • the substrate 11 can be processed by means of the plasma jet.
  • the main discharge channel 22 has a particular spatial position and length, essentially along the shortest connecting line 21, based on the direction x of the flow of the carrier gas occupies, a particularly long and intense plasma jet 13 can be formed.
  • the predeterminable spatial arrangement of the main discharge channel 22 maximizes the coupling of power into the chemically and physically excited species in the carrier gas.
  • the carrier gas can cooperate with the main discharge channel 22 in a large volume and is thus conducted particularly well in terms of space and time. Because of a longer and more intensive plasma jet 13, the substrate can be treated more efficiently.
  • FIG. 1 A second exemplary embodiment of the device 10 according to the invention will now be described with reference to FIG. 1, in which the container 15 is designed as a circular cylindrical hollow tube 15. Within the outer tube 15, a second inner tube 26 is arranged concentrically to this. A process gas can flow through the inner tube 26 along the flow direction y, that is to say essentially parallel to the flow direction x of the carrier gas.
  • the inner tube 26 is also made of dielectric material.
  • the first electrode 17 is essentially sleeve-like, that is to say in the form of an axially elongated ring, and is applied to the outer circumferential surface 33 of the inner tube 26. With its outer side 19, it faces the annular interior 24 of the container 15.
  • the second, downstream electrode 18 is attached to the outer lateral surface 34 of the outer tube 15. It is also essentially ring-shaped or sleeve-like and surrounds the outer tube 15 in the circumferential direction. On its outer surface 35 is the downstream electrode 18 surrounded by an insulating jacket 20. The ring end face directed toward the substrate 11, including the edge 36 of the second electrode 18, is also surrounded by a region 20a of the insulating sheath 20.
  • the first electrode 17 is connected to an AC voltage generator 27 via a connecting line 28a and the second electrode 18 via a connecting line 28b.
  • an AC voltage of a frequency is typically applied between 1 and 30 kHz and with an amplitude of 100 V to 10 kV
  • a main discharge channel 22 is formed essentially along a shortest connecting line 21 between an active edge 25a and the first electrode 17 and an active edge 25b second electrode 18.
  • FIG. 1 schematically shows a realistic pictorial snapshot of the device in operation, from which it becomes clear that the main discharge channel 22 actually only slightly deviates from the shortest connecting line 21.
  • One reason for this is the flow velocity of the carrier gas along the flow direction x.
  • FIG. 1 represents an image recording at a specific point in time. If one looked at the state of the device according to FIG. 1 a few microseconds earlier or later, it would be found that main discharge channels 22 are formed in another area between the two electrodes 17 and 18.
  • the first electrode 17 and the second electrode 18 each have, for example, a circular active edge 25a, 25b.
  • the shortest connecting lines 21 between each the two active edges 25a, 25b are therefore distributed rotationally symmetrically around the central longitudinal axis M of the device 10. Since the main discharge channels 22 each remain only a few microseconds, which is described in more detail below, different main discharge channels are formed in succession within a short time.
  • the interaction of the carrier gas with the main discharge channels 22 leads to the formation of a plasma cloud 23, which opens into a plasma jet 13, which is extracted from the device 10 from the plasma jet opening 14.
  • the process gas enters the plasma jet 13 through a process gas outlet 32, that is to say the left end of the inner tube 26 with respect to FIG. 1, and there forms a core zone 29 of process gas which extends to the substrate surface 12.
  • the plasma jet 13 forms a type of jacket zone 30 which surrounds the core zone 29.
  • the plasma jet 13 widens in the foot region 31 of the plasma jet 13, in which it hits the substrate surface 12, a core zone 29a and a jacket zone 30a also being recognizable in the region of the foot 31. This formation of core zone 29 and cladding zone 30 enables a particularly homogeneous processing of the substrate 11 with a particularly large processing depth.
  • the outer jacket region 30 has a higher concentration of metastably excited species, as a result of which a higher electron concentration is achieved in this region and a transfer of the electromagnetic power to a greater distance along the plasma jet 13 and over a larger area of the substrate 11 in the foot region 31 of the plasma jet 13 is possible.
  • the carrier gas mixes with the Process gas only on the surface 12 of the substrate, as a result of which there is intensive energy transfer by quenching and Penning impacts from the particles from the jacket region 30a with the particles from the core region 29b.
  • the metastably excited helium atoms and molecules are located in the cladding region 30a. Part of the metastable excitation energy is transferred to the nitrogen molecules contained in the surrounding air. Very long-lived metastably excited nitrogen molecules are generated, which contribute to the transfer of chemical as well as electromagnetic energy to substrate 11.
  • the inner tube 26 and the outer tube 15 are formed from an electrical insulator. In the area of the second electrode 18, the outer tube 15 therefore directly forms the dielectric barrier.
  • a second dielectric barrier can of course also be arranged between the first electrode 17 and the second electrode 18.
  • a further insulating sheath can be attached to the outer circumferential surface 19 of the first electrode 17.
  • the first electrode 17 is spaced from the second electrode 18 by an axial distance L.
  • the radial distance R between the first electrode 17 and the second electrode 18 is constant in the circumferential direction around the central longitudinal axis M.
  • the second electrode 18 is closer to the substrate 11 than the first electrode 17. This enables a particularly advantageous construction. For given operating conditions there is a distance L at which the length I of the plasma jet 13 is at a maximum. If the distance L is too short, the length of the discharge channels 22 between the electrode edges 25a and 25b offers too little interaction with the carrier gas, as a result of which the concentration of the excited species in the plasma jet 13 drops. If the distance is too long, the alternating electrical field that arises between the electrodes 17, 18 along the shortest connecting line 21 is reduced, as a result of which the intensity of the primary discharge decreases. This also leads to a reduction in the concentration of the excited species in the plasma jet 13.
  • the most efficient method of power supply is a resonance circuit.
  • the voltage signal has the form of a sine function.
  • the discharge can also be supplied with voltage signals of other forms.
  • the use of a resonance circuit as a voltage generator for the plasma jet 13 enables the highest efficiency of the power coupling and the dispensing with a tuning unit.
  • the longest plasma jet 13 can be reached with a grounded inner electrode 17 and polarized outer electrode 18.
  • the device also works with an earthed outer electrode 18 or with an earth point lying between the electrode potentials.
  • the electrical displacement of the electrode potentials in relation to the earth point for example by using a voltage divider, can be used check the length I of the jet 13, which can be used to specifically adjust the treatment depth of the plasma jet 13.
  • the outer electrode 18 is provided with an insulating seal 20, 20a, which prevents the spread of corona discharges starting from the edge 36 of the outer electrode 18, over the ring end face 37 of the outer tube 15.
  • Such parasitic discharges lead to the generation of ozone and nitrogen oxides in the ambient air with concentrations that far exceed the permissible limit values. They also cause the formation of a "virtual" outer electrode, the area of which is increased by the area of the corona discharges. A large part of the electrical energy is also coupled into these parasitic corona discharges. For these reasons, this undesirable effect is to be avoided constructively very important.
  • the exit speeds of the carrier gas and the process gas are similar in order to avoid turbulence. This is fulfilled if the ratio of the cross-sectional area of the coaxial region 24 (annular space) between the outer tube 15 and the inner tube 26 and the Cross-sectional area of the opening of the inner tube 26 is approximately equal to the ratio of the carrier gas flow to the process gas flow.
  • FIG. 1 shows an embodiment in which the outlet 32 of the process gas is closer to the substrate 11 than that Outlet 14 of the plasma jet 13 or the carrier gas outlet 14.
  • the distance d can be approximately up to twice the inner diameter 38 of the outer tube 15.
  • FIG. 2 shows a device 40 in a representation according to FIG. 1, in which several of the devices 10 shown in FIG. 1 are arranged in a row.
  • the exemplary embodiment in FIG. 2 shows four devices 10 arranged in series, each of which generates a plasma jet 13a, 13b, 13c, 13d.
  • the processing width B is thus approximately four times the processing width of the device 10 according to FIG. 1.
  • the multi-jet plasma source designated 40 in its entirety in FIG. 2, has an insulating housing 39, to which the outer tubes 15a, 15b, 15c, 15d are fastened in a parallel alignment to one another.
  • the inner tubes 26a, 26b, 26c, 26d are fastened to a fastening plate 43.
  • the fastening plate 43 also provides for an electrical connection of the four inner electrodes 17a, 17b, 17c, 17d to one another, which are connected together to a ground pole 45 and to the voltage supply 27 via the connecting line 28a.
  • the outer electrodes 18a, 18b, 18c, 18d are connected to one another via line sections 44a, 44b, 44c and to the voltage source 27 via a line section 28b. All outer electrodes 18a, 18b, 18c, 18d are thus at the same potential. All internal electrodes 17a, 17b, 17c, 17d are also each at the same potential.
  • a first gas distribution space 41 for the process gas supplies the four inner tubes 26a, 26b, 26c, 26d with process gas via a common process gas inlet opening 46.
  • a second gas distribution space 42 supplies the four containers 15a, 15b, 15c, 15d with carrier gas via a common carrier gas inlet opening 47.
  • the discharge consists of partial discharges, the discharge channels 22, which form radially inside the outer electrode 18 between the edge 25a of the inner electrode and the inner surface 48 (FIG. 1) of the outer tube 15.
  • the dielectric inner surface 48 of the outer tube 15 has only a certain capacity for the electrical charge. Since this charge on the Outer tube surface 48 lingers longer than a period of voltage supply, the next discharge takes place in another area of the inner surface 48 of the outer tube 15. This effect can be used for the targeted control of the formation of the main channel 22 of the discharge.
  • the influence of the main discharge channel 22 is influenced by the basic geometry of the
  • Electrodes 17, 18 reached.
  • Various designs of an optimized electrode design will now be explained by way of example with reference to FIGS. 3 to 6.
  • FIG. 3 shows an example of the geometric shape of the outer electrode 18 and the inner electrode 17 in a cylindrical projection.
  • this cylindrical projection which is also referred to as a cylindrical development or an azimuth shark projection, the two electrodes 17, 18 in a cut, flat lying state.
  • the azimuth angle on the coordinate of the diagram thus indicates the circumferential angle, based on the longitudinal central axis M of the device 10 in FIG. 1, the axial course of the two electrodes 17, 18 being shown on the abscissa of the coordinate system in FIG. 3.
  • Electrode 18 are offset circumferentially. Accordingly, the shortest
  • Connecting line 21a, 21b also in the illustration in FIG. 3, is not formed parallel to the flow direction x of the carrier gas, but extends obliquely to it at an acute angle. Furthermore, the shortest connecting line 21a, 21b should not be imagined to run along a straight line, but taking into account the geometrical arrangement of inner tube 26 and outer tube 15 such that the shortest connecting line 21a, 21b is a section of a helix. The shortest connecting line 21a, 21b is thus curved since, by definition, it cannot cut the inner tube 26.
  • the arrangement of the projections 49a, 49b, 49c, 49d leads to the formation of a main discharge channel 22 which runs obliquely to the gas flow direction x and which is substantially approximated to the shortest connecting line 21a, 21b.
  • main discharge channels 22 form which, in a representation according to FIG. 3, occur parallel to the gas flow x and under certain circumstances only in a narrow region of the azimuthal position .
  • most carrier gas can flow through the zone of the primary discharge 22 without interacting with the main discharge channels 22.
  • the volume in which the interaction between the carrier gas and the main discharge channel 22 takes place is substantially increased. This creates the metastably excited species in a much larger amount and in a much larger volume. This leads to the formation of a longer and more intense plasma jet.
  • Connecting lines 21a, 21b are approximated.
  • the main discharge channels 22 thus also run along a section of one
  • the number of projections 49a, 49b, 49c, 49d on the two electrodes 17, 18 is only to be understood as an example and depends on the type of application of the device 10.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a representation according to FIG. 3.
  • the outer electrode 18 has two spiral arms 50a and 50b.
  • the two electrode arms 50a, 50b are designed in the manner of elongated projections and extend helically around the inner tube 26 according to FIG. 1, not shown in FIG. 4.
  • the electrode arrangements according to FIGS. 3 to 6 can all be used in devices according to FIG. 1.
  • the shortest connecting line between the two electrodes 17, 18 is the distance between the free end 51 of a spiral arm 50a, 50b and Effective edge 25a of the electrode 17. Since the radial distance between the inner electrode 17 and the outer electrode 18 is constant, and since a main discharge channel 22 cannot develop through the dielectric barrier of the wall of the container 15, but only in that through which the carrier gas flows 4 leads to a main discharge channel 22b which is composed of two sections 22'b and 22 "b and which is bent. Likewise, the main discharge channel 22a is composed of a first channel section 22'a and a second channel section angled to it 22 "a together.
  • the total discharge channel 22a (or 22b) is essentially helical, that is curved, and extends around the inner tube 26 according to FIG. 1.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of an electrode arrangement according to the invention, in which the outer electrode 18 has five electrode segments 52a, 52b, 52c, 52d, 52e.
  • the electrode segments 52a, 52b, 52c, 52d, 52e are not electrically connected to one another.
  • the electrode segment 52a is essentially ring-shaped and is connected to the voltage source 27, not shown in FIG. 5.
  • An electrode segment 52b and an electrode segment 52c are arranged in series, circumferentially offset from one another.
  • a further electrode segment 52d and a further electrode segment 52e are likewise arranged offset in circumference.
  • the active edge 25a and the active edge 25b of the second electrode 18 are directly connected to one another via shortest connecting lines, not shown, which lead to the two active edges 25a and 25b in FIG
  • main discharge channels 22a and 22b are again formed, which are composed of main discharge sections 22 "b and 22'b or 22" a and 22'a.
  • the duct sections 22'b and 22 "b or 22'a and 22" a are arranged at an angle to one another.
  • the main discharge channels 22a and 22b resulting overall from the electrode geometry are again essentially helical.
  • the outer electrode 18 is generally substantially helical, that is to say helical. This leads to several main discharge channels 22a, 22b, 22c.
  • the shortest possible main discharge channel is designated with 22a, with 22b the main discharge channel moving azimuthally in the coaxial space of the primary discharge 23 and with the reference symbol 22c the longest possible main discharge channel.
  • 22a the exemplary embodiments in FIGS. 1 to 6 are shown and described with circular-cylindrical outer tubes 15 and inner tubes 26 and with annular or sleeve-shaped electrodes 17 and 18.
  • a plasma jet 13 is located at the outlet 14 of the outer tube 15 and formed at the outlet 32 of the inner tube 26.
  • the process gas flowing through the inner tube 26 is required for certain types of processing of the substrate.
  • the invention also includes devices in which a plasma jet 13 is generated without a process gas being additionally supplied.
  • Protrusions 49a, 49b, 49c, 49d or spiral or helical arms 50a, 50d can equally be provided in devices such as those outlined in FIGS. 7 and 8.
  • the distance L between the two electrodes 17, 18 is advantageously adapted in such a way that the formation of axially elongated and intensive main discharge channels 22 is effected or promoted. It is particularly important if the discharge channels 22 have at least one directional component that is oriented transversely to the gas flow direction x.
  • the inner electrode 17 is advantageously grounded. However, this is also not necessary.
  • a segment of the outer electrode in the case of a segmented outer electrode 18 in particular the segment 52a furthest away from the inner electrode 17, can also be grounded.
  • neither of the two electrodes 17, 18 is grounded, but the ground potential lies between the two electrode potentials.
  • both electrodes 10, 11, the container 15 and the containers 15, 26 are assigned.
  • the substrate 11 is located in a process space into which the plasma jets 13 are extracted from the device 10. The process space is thus located outside the device 10 having the electrodes 17, 18.

Abstract

The invention relates to a device (10) for treating a substrate (11) with the aid of at least one plasma jet (13). Said device comprises a receptacle (15) through which a carrier gas flows along a certain direction of flow (x), a first electrode (17), and a second electrode (18). The inventive device is characterized in that the two electrodes (17, 18) are separated from each other by means of at least one dielectric barrier (15) while an alternating voltage is applied between the electrodes (17, 18) in order to create an atmospheric pressure glow discharge plasma. Furthermore, the first electrode (17) is axially (L) and radially (R) spaced apart from the second electrode (18) relative to the direction of flow (x) of the carrier gas.

Description

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Substrates mittels mindestens eines Plasma-JetsDevice for processing a substrate using at least one plasma jet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einesThe invention relates to a device for processing a
Substrates mittels mindestens eines Plasma-Jets gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.Substrate by means of at least one plasma jet according to the preamble of claim 1.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung gemäß der DE 197 22 624 C2, die auf die Anmelderin zurückgeht. Dort ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Niedertemperatur-Plasma-Jets beschrieben. Die Plasma-Jets werden unter Ausnutzung von Hohlkathoden- Entladungen erzeugt. Öffnungen in Einzel-Hohlkathoden und in der Anode bilden miteinander axial fluchtende Bohrungspaare. Die Plasma-Jets durchstoßen jeweils einen Bereich zwischen der Kathodenbohrung und der Anodenbohrung und erstrecken sich über die Bohrungsbereiche hinaus in einen Prozessraum hinein. Mit der Vorrichtung des Standes der Technik wird eine homogene Disposition einer funktionalen Schicht auf einem bahnförmigen und gegebenenfalls temperaturempfindlichen Substrat möglich.The invention is based on a device according to DE 197 22 624 C2, which goes back to the applicant. An apparatus for generating a large number of low-temperature plasma jets is described there. The plasma jets are generated using hollow cathode discharges. Openings in single hollow cathodes and in the anode form axially aligned pairs of holes. The plasma jets each penetrate an area between the cathode bore and the anode bore and extend beyond the bore areas into a process space. With the device of the prior art, a homogeneous disposition of a functional layer on a web-shaped and possibly temperature-sensitive substrate is possible.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass mit ihr auch bei Arbeitsdrücken im Bereich des Atmosphärendrucks unter Ermöglichung einer großen Bearbeitungstiefe in effizienter Weise Plasma-Jets erzeugbar sind.Based on this prior art, the object of the invention is to develop a device according to the preamble of claim 1 in such a way that it can be used to generate plasma jets in an efficient manner, even at working pressures in the range of atmospheric pressure, while enabling a large machining depth.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere mit denen des Kennzeichenteils, und ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden durch wenigstens eine dielektrische Barriere voneinander getrennt sind, dass zwischen den Elektroden zur Erzeugung eines Atmosphärendruck- Glimmentladungs-Plasmas eine Wechselspannung angelegt wird, und dass die erste Elektrode von der zweiten Elektrode bezogen auf die Strömungsrichtung des Trägergases axial und radial beabstandet ist.The invention solves this problem with the features of claim 1, in particular with those of the identification part, and is accordingly characterized in that the two electrodes are separated from one another by at least one dielectric barrier an AC voltage is applied between the electrodes for generating an atmospheric pressure glow discharge plasma, and that the first electrode is axially and radially spaced from the second electrode with respect to the flow direction of the carrier gas.
Das Prinzip der Erfindung besteht zunächst darin, anstelle einer Hohlkathoden-Entladung, wie sie der Stand der Technik vorschlägt, eine Atmosphärendruck-Glimmentladung vorzusehen. Ein Atmosphärendruck- Glimmentladungs-Plasma erfordert eine dielektrische Barriere zwischen den beiden Elektroden und stellt im Vergleich zur Hohlkathoden-Entladung ein völlig anderes physikalisches Prinzip der Plasmaerzeugung dar, welches zu einer anderen Art von Plasma führt. Der Begriff „Atmosphärendruck-Glimmentladungs-Plasma" macht in diesem Zusammenhang deutlich, dass dieses Plasma auch bei Atmosphärendruck brennen kann und die Vorrichtung entsprechend bei Atmosphärendruck betrieben werden kann. Möglich und sinnvoll sind Arbeitsdrücke im Bereich zwischen 50 mbar und 10 bar.The principle of the invention is first of all to provide an atmospheric pressure glow discharge instead of a hollow cathode discharge as proposed by the prior art. An atmospheric pressure glow discharge plasma requires a dielectric barrier between the two electrodes and, compared to the hollow cathode discharge, represents a completely different physical principle of plasma generation, which leads to a different type of plasma. In this context, the term “atmospheric pressure glow discharge plasma” makes it clear that this plasma can also burn at atmospheric pressure and the device can be operated accordingly at atmospheric pressure. Working pressures in the range between 50 mbar and 10 bar are possible and useful.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit von der Vorrichtung gemäß der DE 197 22 624 C2, die herkömmlich nur unter Einsatz einer Vakuumpumpe bei einigen mbar betrieben werden kann. Die beim Stand der Technik erforderliche Vakuumpumpe kann erfindungsgemäß entfallen. Zwar ist theoretisch mit der Vorrichtung gemäß der DE 197 22 624 C2 ein Betrieb auch bei höheren Arbeitsdrücken denkbar. Die Entladungskanäle müssen dann allerdings, unter Berücksichtigung der freien Weglänge der Elektronen, einen sehr geringen Durchmesser im Bereich von einigen μm aufweisen, was zu einer aufwändigen Konstruktion führt. Es würden dann aber auch keine Plasma-Jets erzeugt, sondern Mikrohohlkathoden-Entladungen. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beabsichtigteThe device according to the invention thus differs from the device according to DE 197 22 624 C2, which conventionally can only be operated at a few mbar using a vacuum pump. According to the invention, the vacuum pump required in the prior art can be dispensed with. In theory, operation with the device according to DE 197 22 624 C2 is also conceivable at higher working pressures. The discharge channels must then have a very small diameter in the range of a few μm, taking into account the free path length of the electrons, which leads to a complex construction. In this case, however, plasma jets would not be generated, but hollow micro-cathode discharges. The intended with the device according to the invention
Bearbeitung von Substraten, insbesondere auch mit großenProcessing of substrates, especially with large ones
Substratflächen, sowie von Substraten, die eine besondere Topografie aufweisen und eine große Bearbeitungstiefe erfordern, ist mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich.Substrate surfaces, as well as substrates that have a special topography and require a large processing depth, are not possible with the known device.
Als Plasma-Jet im Sinne der Erfindung wird ein Atmosphärendruck- Glimmentladungs-Plasma bezeichnet, welches bei optischer Betrachtung im Betriebszustand der Vorrichtung eine Jet- oder Strahlform aufweist und aus der Vorrichtung heraus, insbesondere aus dem Behältnis heraus extrahiert ist und sich bis zu einem distanziert von der Vorrichtung angeordneten Substrat erstreckt. Anzumerken ist, dass das Substrat während der Bearbeitung durch die Vorrichtung stationär angeordnet sein kann oder relativ zu der Vorrichtung eine Bewegung durchlaufen kann.A plasma jet in the sense of the invention is an atmospheric pressure glow discharge plasma which, when viewed optically in the operating state of the device, has a jet or jet shape and is extracted from the device, in particular from the container, and is distanced up to one extends from the device arranged substrate. It should be noted that the substrate can be arranged in a stationary manner during processing by the device or can undergo movement relative to the device.
Als Bearbeitung eines Substrates im Sinne der Erfindung wird jegliche Behandlung, insbesondere Oberflächenbehandlung, eines Substrates, insbesondere eine Beschichtung, Strukturierung (Lithografie), Reinigung oder Modifikation der Substratoberfläche beziehungsweise des Substrates verstanden. Der Plasma-Jet ist ein kalter, chemisch reaktiver Plasma-Jet, der bei geringen Temperaturen von wenigen 10° C brennt. Jedem Plasma-Jet werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die chemisch reaktiven und physikalisch angeregten Spezies mit Hilfe einer dielektrisch behinderten Primärentladung bereitgestellt.Processing of a substrate in the sense of the invention is understood to mean any treatment, in particular surface treatment, of a substrate, in particular a coating, structuring (lithography), cleaning or modification of the substrate surface or of the substrate. The plasma jet is a cold, chemically reactive plasma jet that burns at low temperatures of a few 10 ° C. In the device according to the invention, the chemically reactive and physically excited species are provided to each plasma jet with the aid of a dielectrically impeded primary discharge.
Zum ergänzenden und vertieften Verständnis der Erfindung wird im Folgenden ein Überblick über eine Vielzahl weiterer Vorrichtungen des Standes der Technik gegeben, die mit Bogenentladungen arbeiten. Bei Bogenentladungen befindet sich jedoch zwischen der ersten und der zweiten Elektrode keine dielektrische Barriere, so dass es sich um nicht vergleichbare Plasmen handelt.In order to supplement and deepen the understanding of the invention, an overview is given below of a large number of further devices of the prior art which work with arc discharges. For arc discharges, however, is between the first and the second electrode no dielectric barrier, so that it is not comparable plasmas.
Die Plasma-Jets in Form von Bogenentladung sind schon seit langer Zeit bekannt. Unterschiedliche Varianten und Anwendungen sindThe plasma jets in the form of arc discharge have been known for a long time. There are different variants and applications
Gegenstand von zahlreichen Patentschriften. In der US 5,272,979 wird z.B. eine Vorrichtung beschrieben, in der eine Bogenentladung zwischen einer Innenelektrode und einer Außenelektrode gezündet wird. Sie überträgt die elektrische Energie auf einen Gasfluss der in Form eines Plasma-Jets aus einer Austrittsdüse austritt und zu einem Substrat geführt wird. Ein derartiger Plasma-Jet wird zur Strukturierung oder Reinigung von lithographischen Platten eingesetzt. Eine ähnliche Vorrichtung für lithografische Zwecke ist in der US 5,062,364 gegeben. Eine weitereThe subject of numerous patent specifications. For example, in U.S. 5,272,979 describes a device in which an arc discharge is ignited between an inner electrode and an outer electrode. It transfers the electrical energy to a gas flow that exits from an outlet nozzle in the form of a plasma jet and is guided to a substrate. Such a plasma jet is used for structuring or cleaning lithographic plates. A similar device for lithographic purposes is given in US 5,062,364. Another
Vorrichtung, die sich auf eine verbesserte Gasführung konzentriert ist in der US 6,408,755 beschrieben.Device that focuses on improved gas flow is described in US 6,408,755.
Eine wesentliche Rolle spielt bei den Vorrichtungen des Standes der Technik auch die Art und Weise der Gaszuführung in die Vorrichtung. Damit befasst sich z.B. die WO 01/43512. Das Gas wird hier in die Entladungszone unter einem bestimmten azimuthalen und axialen Winkel eingeführt, so dass es zur Entstehung einer Verwirbelung des Gasflusses kommt. Dies führt zur Erhöhung der Effizienz der Wechselwirkung der Entladung mit dem Gas. Diese Vorrichtung findet bei der Reinigung von Walzen und Bändern Anwendung (vgl. EP 1 170 066).The manner in which the gas is fed into the device also plays an important role in the devices of the prior art. This deals with e.g. WO 01/43512. The gas is introduced into the discharge zone at a certain azimuthal and axial angle, so that a swirling of the gas flow occurs. This leads to an increase in the efficiency of the interaction of the discharge with the gas. This device is used for cleaning rollers and belts (cf. EP 1 170 066).
Ein „Atmospheric-pressure plasma jet" gemäß US 5,961,772 weist neben einem sich verengenden Düsenbereich auch einen koaxialen Raum zwischen der Innenelektrode und der Außenelektrode auf, in dem das Trägergas auf einer wesentlich längeren Strecke als in der zuvor diskutierten Vorrichtung behandelt wird. Unter Anwendung von Helium wird die Vorrichtung in dem „Atmospheric Pressure Glow Discharge (APGD)-Modus betrieben. Das bedeutet, dass sich in dem koaxialen Raum ein nichtgleichgewichtiges, relativ kaltes (Gastemperatur unter 250°C) Plasma mit hoher in metastabil angeregten Spezies gespeicherter Energie ausbildet, das die Erzeugung eines langen Plasma-Jets erlaubt. Die Ergänzung dieser Vorrichtung mit Mitteln zur Zuführung des Prozessgases in der Nähe der Austrittsdüse gemäß WO 99/20809 ermöglicht die Erzeugung eines chemisch reaktiven Plasma-Jets. Dabei vermeidet man die Einführung des Prozessgases zusammen mit dem Trägergas, um die chemischen Reaktionen der Primärentladung mit den Elektroden oder die Schichtabscheidung auf den Elektroden zu vermeiden und um das Quenchen der metastabil angeregten Spezies in diesem Bereich auszuschließen. Die parasitäre Schichtabscheidung, Überhitzung sowie der chemische Angriff der Entladungselektroden sind ernste Probleme bei allen Vorrichtungen zur Erzeugung von chemisch reaktiven Plasma-Jets. In der WO 01/40543 wird das Problem mit Hilfe eines an der Fläche der Außenelektrode geführten innerten Hüllgases gelöst, das die Zone des mit Prozessgas erzeugten Plasmas von der Elektrodenfläche trennt.An "atmospheric-pressure plasma jet" according to US Pat. No. 5,961,772 has, in addition to a narrowing nozzle area, also a coaxial space between the inner electrode and the outer electrode, in which the carrier gas is treated over a considerably longer distance than in the device discussed above helium the device is operated in the “Atmospheric Pressure Glow Discharge (APGD) mode. This means that a non-equilibrium, relatively cold (gas temperature below 250 ° C) plasma with high energy stored in metastably excited species is formed in the coaxial space, which allows the generation of a long plasma jet. Supplementing this device with means for supplying the process gas in the vicinity of the outlet nozzle according to WO 99/20809 enables the generation of a chemically reactive plasma jet. This avoids the introduction of the process gas together with the carrier gas in order to avoid the chemical reactions of the primary discharge with the electrodes or the layer deposition on the electrodes and to prevent the quenching of the metastably excited species in this area. The parasitic layer deposition, overheating and the chemical attack of the discharge electrodes are serious problems with all devices for the production of chemically reactive plasma jets. WO 01/40543 solves the problem with the aid of an inner envelope gas guided on the surface of the outer electrode, which separates the zone of the plasma generated with process gas from the electrode surface.
Die häufig in der Literatur beschriebene Lösung für die Bereitstellung des Prozessgases ist eine direkte Zuführung in die Zone des Plasma-Jets, wie z.B. die Zuführung eines kohlenstoffhaltigen Monomers zum Aufbau von Diamantfilmen mit einer Methode und einer Vorrichtung nach EP 0388861.The solution for providing the process gas, which is often described in the literature, is a direct supply into the zone of the plasma jet, e.g. the supply of a carbon-containing monomer for the construction of diamond films using a method and a device according to EP 0388861.
Der Nachteil der zahlreichen, zuvor beschriebenen Vorrichtungen, die mit Bogenentladungen arbeiten, ist, dass eine direkte Stromverbindung zwischen den zwei elektrisch nur durch das Plasma voneinander getrennten Elektroden entsteht. Bereits kleine Variationen des Elektrodenabstandes oder der Beschaffenheit der Elektrodenoberfläche führen zur Fokussierung der Entladung und Entstehung eines Hot-Spots oder anderer Arten von räumlichen Inhomogenitäten.The disadvantage of the numerous devices described above that work with arc discharges is that a direct electrical connection between the two is electrical only through the plasma electrodes separated from each other. Even small variations in the electrode spacing or the nature of the electrode surface lead to the focus of the discharge and the creation of a hot spot or other types of spatial inhomogeneity.
Zur Vermeidung dieser Nachteile sind darüber hinaus Vorrichtungen bekannt, die zwischen den beiden Elektroden eine dielektrische Barriere vorsehen. So ist beispielsweise in der Fig. 2 der US 2002/0097295 eine Vorrichtung beschrieben, in der zwei Elektroden, die „up-stream" Elektrode 1 und die „down-stream" Elektrode A, auf einem gemeinsamen dielektrischen Rohr angebracht sind. Die beiden Elektroden 1, A, sind im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet und umgeben das dielektrische Rohr. Sie sind axial voneinander beabstandet. Die primäre Entladung 4 bildet sich in der axialen Richtung zwischen den beiden Elektroden aus und kann in einen Plasma-Jet 5b übergehen, vorausgesetzt, man wählt geeignete geometrische Dimensionen und Betriebsparameter. Die Erzeugung von Plasma-Jets ist jedoch nicht vorrangiges Ziel der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Vorrichtung. Ein Problem dieser Anordnung ist im Übrigen, dass die Zündstrecke zwischen den Elektroden innerhalb und außerhalb des Rohrs gleich lang ist und somit eine parasitäre Entladung in dem Außenbereich nicht auszuschließen ist.To avoid these disadvantages, devices are also known which provide a dielectric barrier between the two electrodes. For example, FIG. 2 of US 2002/0097295 describes a device in which two electrodes, the “up-stream” electrode 1 and the “down-stream” electrode A, are attached to a common dielectric tube. The two electrodes 1, A are essentially sleeve-shaped and surround the dielectric tube. They are axially spaced apart. The primary discharge 4 forms in the axial direction between the two electrodes and can pass into a plasma jet 5b, provided that suitable geometric dimensions and operating parameters are selected. However, the generation of plasma jets is not a primary goal of the device described in this patent application. A problem with this arrangement is, moreover, that the ignition distance between the electrodes inside and outside the tube is of the same length and thus a parasitic discharge in the outer region cannot be ruled out.
Von diesem Nachteil befreit sind unterschiedliche, aus der Literatur bekante koaxiale Anordnungen der Elektroden mit einer ebenfalls koaxial angeordneten dielektrischen Barriere zwischen den Elektroden.Various coaxial arrangements of the electrodes known from the literature with an also coaxially arranged dielectric barrier between the electrodes are freed from this disadvantage.
Koinuma et al beschreiben in US 5,221,427 eine Vorrichtung und in US 5,198,724 eine Methode zur Behandlung von Oberflächen unter Atmosphärendruck mit einem Plasma-Jet. Dabei wird ein Arbeitsgas, typischerweise eine Helium-Gasmischung, durch einen koaxialen Bereich zwischen der axial positionierten Innenelektrode und dem elektrisch isolierenden Außenrohr und der Außenelektrode geführt und mit dem dort zwischen der Innenelektrode und der Außenelektrode mit Hilfe eines Spannungsgenerators aufgebauten elektromagnetischen Feldes zu einer primären Entladung umgewandelt und dann in Form eines chemisch und physikalisch aktivierten Plasma-Jets in Richtung des Substrates ausgetrieben. Dort bewirkt der Plasma-Jet die Oberflächenmodifikation, Schichtabscheidung, Reinigung oder andere Plasmaprozesse. In einer in der US 5,369,336 beschriebenen Variante dieser Vorrichtung werden Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes hinter dem Substrat angebracht um die Form des Plasma-Jets und seine Richtung zu beeinflussen.Koinuma et al describe a device in US Pat. No. 5,221,427 and a method for treating surfaces under atmospheric pressure with a plasma jet in US Pat. No. 5,198,724. A working gas typically a helium gas mixture, passed through a coaxial area between the axially positioned inner electrode and the electrically insulating outer tube and the outer electrode and converted to a primary discharge with the electromagnetic field built up there between the inner electrode and the outer electrode with the aid of a voltage generator and then in the form of a chemically and physically activated plasma jet in the direction of the substrate. There the plasma jet effects surface modification, layer deposition, cleaning or other plasma processes. In a variant of this device described in US Pat. No. 5,369,336, means for generating a magnetic field are applied behind the substrate in order to influence the shape of the plasma jet and its direction.
Eine komplexe Konfiguration von Magnetfeldern wird auch zur Steuerung der Lage des Plasma- Jets in der WO 01/88220 (auch US 2002/0030038) beschrieben.A complex configuration of magnetic fields is also described for controlling the position of the plasma jet in WO 01/88220 (also US 2002/0030038).
In der US 5,523,527 und der US 6,221,268 beschreiben Kim Li und M. Tanielian eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Atmosphärendruck- Glimmentladung, die mit Hilfe der Hochfrequenzleistung (13.56 MHz) in Form eines Jets erzeugt wird. Das Entladungsschema und die Elektrodengeometrik entspricht dem Prinzip gemäß der US 5,221 ,427. Als Anwendungsbeispiel wird die Modifikation von Kunststoffoberflächen genannt.In US 5,523,527 and US 6,221,268, Kim Li and M. Tanielian describe a device for generating an atmospheric pressure glow discharge which is generated with the aid of high-frequency power (13.56 MHz) in the form of a jet. The discharge scheme and the electrode geometry correspond to the principle according to US Pat. No. 5,221,427. The modification of plastic surfaces is mentioned as an application example.
Eine umgekehrte Anordnung der koaxialen Elektroden und der dielektrischen Barriere liegt der EP 0921713 A2 zugrunde. In diesem Fall wird das Arbeitsgas in der koaxialen Zone zwischen der Außenelektrode und der dielektrischen Umhüllung der Innenelektrode in axialer Richtung geführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Vorrichtungen auch wesentlich durch ihre Elektrodengeometrie. So ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Elektrode von der zweiten Elektrode, bezogen auf die Strömungsrichtung des Trägergases, axial und radial beabstandet ist. Eine derartige Elektrodengeometrie setzt zunächst eine Strömungsrichtung des Trägergases voraus. Es wird dabei davon ausgegangen, dass das Trägergas im Bereich der beiden Elektroden im Wesentlichen entlang einer Geraden strömt. Insbesondere entspricht die Strömungsrichtung des Trägergases im Bereich der Elektroden der Längserstreckung des Behältnisses in dem Bereich der Elektroden, beispielsweise einer Mittellängsachse des Behältnisses. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind erfindungsgemäß axial und radial voneinander beabstandet. Das Trägergas strömt dabei entlang der Strömungsrichtung zwischen den beiden Elektroden hindurch, wobei sich aufgrund der angelegten Wechselspannung Hauptentladungskanäle zwischen den beiden Elektroden ausbilden. Die Hauptentladungskanäle bilden sich dabei im Wesentlichen entlang kürzester Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden. Da die erste Elektrode von der zweiten Elektrode axial und radial beabstandet ist, ist die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden im Wesentlichen schräg zu der Strömungsrichtung des Trägergases angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders intensive Wechselwirkung zwischen dem Trägergas und der Entladung.EP 0921713 A2 is based on the reverse arrangement of the coaxial electrodes and the dielectric barrier. In this case, the working gas in the coaxial zone between the outer electrode and the dielectric sheath of the inner electrode is guided in the axial direction. The device according to the invention also differs significantly from the devices described above by its electrode geometry. It is provided according to the invention that the first electrode is axially and radially spaced from the second electrode in relation to the flow direction of the carrier gas. Such an electrode geometry initially requires a flow direction of the carrier gas. It is assumed that the carrier gas essentially flows along a straight line in the region of the two electrodes. In particular, the direction of flow of the carrier gas in the region of the electrodes corresponds to the longitudinal extent of the container in the region of the electrodes, for example a central longitudinal axis of the container. According to the invention, the first electrode and the second electrode are spaced axially and radially from one another. The carrier gas flows along the direction of flow between the two electrodes, main discharge channels being formed between the two electrodes due to the AC voltage applied. The main discharge channels essentially form along the shortest connecting lines between the two electrodes. Since the first electrode is axially and radially spaced from the second electrode, the shortest connecting line between the two electrodes is arranged essentially obliquely to the direction of flow of the carrier gas. This enables a particularly intensive interaction between the carrier gas and the discharge.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene besondere Anordnung der Elektroden zueinander kann eine besonders lang ausgebildete und schräg zu der Strömungsrichtung des Trägergases verlaufende kürzeste Verbindungslinie erreicht werden. Je länger die kürzeste Verbindungslinie gewählt ist, umso mehr Volumenanteile des Trägergases können mit dem Plasma wechselwirken. Zu beachten ist dabei allerdings auch, dass sich zu lang gewählte kürzeste Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden nachteilig auf die Plasmaerzeugung auswirken. Es gibt eine optimale Länge der kürzesten Verbindungslinie.Due to the special arrangement of the electrodes with respect to one another according to the invention, a particularly long shortest connecting line, which runs obliquely to the flow direction of the carrier gas, can be achieved. The longer the shortest connecting line is selected, the more volume fractions of the carrier gas can interact with the plasma. However, it should also be noted that the shortest connecting lines between the two electrodes, which are selected too long, have a disadvantageous effect on the plasma generation. There is an optimal length of the shortest connecting line.
Die erfindungsgemäße Elektrodengeometrie unterscheidet sich von einer Elektrodengeometrie, die lediglich radial voneinander beabstandete Elektroden vorsieht, durch eine Schrägstellung der kürzesten Verbindungslinie relativ zu der Strömungsrichtung des Trägergases, was die Wechselwirkung zwischen Plasma und Trägergas verbessert. Die erfindungsgemäße Elektrodengeometrie unterscheidet sich von einer Elektrodenanordnung, die lediglich eine axiale Beabstandung von Elektroden vornimmt, durch eine wesentliche Komponente der kürzesten Verbindungslinie und eines im Wesentlichen entlang der kürzesten Verbindungslinie ausgerichteten Hauptentladungskanales im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Trägergases.The electrode geometry according to the invention differs from an electrode geometry which only provides electrodes which are radially spaced apart from one another by an inclination of the shortest connecting line relative to the flow direction of the carrier gas, which improves the interaction between plasma and carrier gas. The electrode geometry according to the invention differs from an electrode arrangement which only axially spaces electrodes by an essential component of the shortest connecting line and a main discharge channel aligned essentially along the shortest connecting line, essentially transverse to the flow direction of the carrier gas.
Da sich erfindungsgemäß Hauptentladungskanäle entlang einer Richtung schräg zur Strömungsrichtung des Trägergases bilden, kann ein großer Volumenanteil des Trägergases mit dem Plasma wechselwirken, so dass eine effiziente Betriebsweise möglich wird.Since main discharge channels form according to the invention along a direction oblique to the flow direction of the carrier gas, a large volume fraction of the carrier gas can interact with the plasma, so that an efficient mode of operation is possible.
Angemerkt sei, dass im Sinne der Erfindung eine axiale Beabstandung der beiden Elektroden voneinander eine Beabstandung entlang der Strömungsrichtung des Trägergases bedeutet. Eine radiale Beabstandung der beiden Elektroden voneinander bedeutet im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung eine Beabstandung der beiden Elektroden voneinander quer zur Strömungsrichtung des Trägergases. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Hauptentladungskanäle bewirkt durch gesteigerte Wechselwirkung mit dem Trägergas eine wesentliche Steigerung der Effizienz der Vorrichtung. Die elektromagnetische Energie wird in ein wesentlich größeres Volumen an Trägergas eingekoppelt, wodurch ein höherer Anteil an Helium-Atomen in einen metastabil angeregten Zustand versetzt wird. Die so gespeicherte Energie erleichtert die lonisationsprozesse und andere Plasmaprozesse im Plasma-Jet, wodurch sowohl die Länge als auch die Intensität des Plasma-Jets im Sinne der Elektronenkonzentration und im Sinne seiner chemischen Reaktivität erhöht wird.It should be noted that in the sense of the invention an axial spacing of the two electrodes from one another means a spacing along the flow direction of the carrier gas. A radial spacing of the two electrodes from one another in the sense of the present patent application means a spacing of the two electrodes from one another transversely to the direction of flow of the carrier gas. The design of the main discharge channels according to the invention brings about a substantial increase in the efficiency of the device through increased interaction with the carrier gas. The electromagnetic energy is coupled into a much larger volume of carrier gas, whereby a higher proportion of helium atoms is brought into a metastable excited state. The energy stored in this way facilitates the ionization processes and other plasma processes in the plasma jet, as a result of which both the length and the intensity of the plasma jet are increased in the sense of the electron concentration and in the sense of its chemical reactivity.
Die Konsequenz aus dieser Effizienzsteigerung ist, dass man wesentlich weniger Leistung und weniger Heliumfluss benötigt, um eine bestimmte Prozesswirkung zu erzielen. Dementsprechend verbessert sich die Wirtschaftlichkeit des Betriebes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gleichzeitig kann die Vorrichtung in Form einer wesentlich leichteren, einfacher skalierbaren und damit weniger aufwändigen Konstruktion realisiert werden. Die Gasführung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere innerhalb des Behältnisses, ermöglicht die Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung, wodurch gemäß den durchgeführten Experimenten der Plasma-Jet länger und die Behandlungsfläche eines Plasma-Jets größer wird.The consequence of this increase in efficiency is that you need significantly less power and less helium flow to achieve a certain process effect. Accordingly, the economy of the operation of a device according to the invention improves. At the same time, the device can be realized in the form of a much lighter, more easily scalable and thus less complex construction. The gas flow in the device according to the invention, in particular within the container, enables a laminar flow to be maintained, as a result of which, according to the experiments carried out, the plasma jet becomes longer and the treatment area of a plasma jet becomes larger.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, zusätzlich zu dem Trägergas ein Prozessgas zuzuleiten. Beispielsweise kann dafür ein gesondertes Behältnis nach Art eines Innenrohres vorgesehen sein, welches konzentrisch zu dem äußeren Behältnis angeordnet ist. Der Ringraum zwischen dem inneren Rohr und dem Behältnis wird durch Trägergas durchflössen, wobei das Innenrohr von Prozessgas durchflössen ist. Es kommt im Bereich eines Auslasses der Vorrichtung für den Plasma-Jet zu einer Bildung eines Kernbereiches aus Prozessgas und eines Mantelbereiches, der durch den Plasma-Jet gebildet wird. Das Prozessgas wird innerhalb des Plasmamantels und durch den Plasmamantel bis an das Substrat herangeführt. Da das Trägergas eine wesentlich höhere Konzentration an metastabil angeregten Spezies als das Prozessgas aufweist, lässt sich im Trägergas bei gleicher eingekoppelter Leistung ein wesentlich höherer lonisierungsgrad als im Prozessgas erreichen. Deshalb lassen sich in einem aus Trägergas bestehenden Mantelbereich höhere Elektronenkonzentration und demzufolge eine höhere elektrische Leitfähigkeit erzielen. Die elektromagnetische Leistung kann entlang eines solchen Plasma-Jets auf größere Entfernungen und über größere Substratflächen transportiert werden. Die Prozesstiefe, also die Bearbeitungstiefe, und die Prozesshomogenität werden dadurch wesentlich verbessert.With the device according to the invention it is also possible to supply a process gas in addition to the carrier gas. For example, a separate container in the manner of an inner tube can be provided for this purpose, which is arranged concentrically with the outer container. The annulus between the inner tube and the The container is flowed through by carrier gas, with process gas flowing through the inner tube. In the area of an outlet of the device for the plasma jet, a core area consisting of process gas and a jacket area are formed, which is formed by the plasma jet. The process gas is brought up to the substrate within the plasma jacket and through the plasma jacket. Since the carrier gas has a much higher concentration of metastably excited species than the process gas, a much higher degree of ionization can be achieved in the carrier gas with the same coupled power than in the process gas. Therefore, a higher electron concentration and consequently a higher electrical conductivity can be achieved in a jacket area consisting of carrier gas. The electromagnetic power can be transported along such a plasma jet over longer distances and over larger substrate areas. The process depth, i.e. the processing depth, and the process homogeneity are significantly improved.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet beispielsweise in einem Frequenzbereich von ca. 1 kHz bis zu wenigen zehn kHz, der ausreicht, um im Betriebsmodus der Atmosphärendruck-Glimmentladung zu arbeiten und der die kapazitive Leistungseinkopplung durch die dielektrischer Barriere ermöglicht. Im Prinzip sind, je nach geometrischer Ausführung und Betriebsbedingungen, auch höhere Frequenzen bis in den MHz- Bereich anwendbar. Jedoch kann beim Betrieb im niedrigen kHz Bereich auf eine teuere Abstimmeinheit verzichtet werden. Auch die dielektrischen Verluste sind im Vergleich zu Hochfrequenz oder Mikrowellen wesentlich kleiner. Alle diese technischen Vorteile führen zu einer wesentlichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung im Vergleich mit den zum Stand der Technik gehörenden Vorrichtungen dieser Art. Der wirtschaftliche Nutzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht daran, dass sie ganz neue technologische Möglichkeiten bietet, um auch in dreidimensionale Substrate zu behandeln. Als dreidimensionale Substrate werden solche Substrate bezeichnet, die eine besondere Oberflächentopografie aufweisen, die beispielsweise Wellentäler und Wellenberge aufweist oder eine sonstige Strukturierung. Dank einer hohen Produktion von metastabil angeregten Atomen bzw. Molekülen und deren direkter Zuführung zu der Substratoberfläche ist es möglich die bereits bekannten Prozesse, wie Oberflächenmodifikation, Reinigung, Entfettung mit höheren Prozessraten und besserer Homogenität durchzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, die Abscheidungsprozesse analog zu Niederdruck PECVD Prozessen durchzuführen, da es erfindungsgemäß möglich ist, die Substratoberfläche oder sogar deren innere Struktur der Wirkung von metastabil angeregten Spezies auszusetzen. Dies kann durch zusätzliche Zufuhr von Monomeren in Form von Gas, Dampf oder Flüssigkeit an die Substratoberfläche oder in die Substratstruktur realisiert werden.The device according to the invention operates, for example, in a frequency range from approximately 1 kHz to a few tens of kHz, which is sufficient to work in the operating mode of the atmospheric pressure glow discharge and which enables the capacitive coupling of power through the dielectric barrier. In principle, depending on the geometric design and operating conditions, higher frequencies up to the MHz range can also be used. However, an expensive tuning unit can be dispensed with when operating in the low kHz range. The dielectric losses are also significantly lower compared to high frequency or microwaves. All of these technical advantages lead to a significant increase in the cost-effectiveness of the device in comparison with the devices of this type belonging to the prior art. The economic benefit of the device according to the invention is that it offers completely new technological possibilities for also treating in three-dimensional substrates , Three-dimensional substrates are those substrates which have a special surface topography, which has, for example, wave troughs and wave crests or some other structuring. Thanks to the high production of metastably excited atoms or molecules and their direct delivery to the substrate surface, it is possible to carry out the already known processes such as surface modification, cleaning, degreasing with higher process rates and better homogeneity. In addition, it is possible to carry out the deposition processes analogously to low-pressure PECVD processes, since it is possible according to the invention to expose the substrate surface or even its internal structure to the action of metastably excited species. This can be achieved by additionally supplying monomers in the form of gas, steam or liquid to the substrate surface or into the substrate structure.
Ein neuer Kreis von interessanten Anwendungen, die bisher weitgehend unerforscht geblieben sind, ist die Beeinflussung von biologischem Material bzw. von organischem Gewebe durch die Einwirkung von metastabil angeregten Spezies. Die Beeinflussung der Substrateigenschaften im Nanometerbereich ist auch denkbar.A new circle of interesting applications that have so far remained largely unexplored is the influencing of biological material or organic tissue through the action of metastably excited species. It is also conceivable to influence the substrate properties in the nanometer range.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Behältnis von einem zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Rohr gebildet. Dies ermöglicht die Erzeugung einer laminaren Strömung des Trägergases. Außerdem ermöglicht ein derartiges Behältnis die konzentrische Anordnung eines inneren Behältnisses, innerhalb dem ein Prozessgas zusätzlich geführt werden kann. Schließlich kann die Anordnung der Elektroden an dem Behältnis auf einfache Weise vorgenommen werden, vorteilhafterweise derart, dass eine Elektrode außerhalb des Behältnisses, bzw. an dessen Außenmantelfläche, und die andere Elektrode im Innenraum des Behältnisses angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache radial und axial beabstandete Anordnung der Elektroden erreichen.According to an advantageous embodiment of the invention, the container is a cylindrical, in particular circular cylindrical, tube educated. This enables a laminar flow of the carrier gas to be generated. In addition, such a container enables the concentric arrangement of an inner container within which a process gas can additionally be guided. Finally, the arrangement of the electrodes on the container can be carried out in a simple manner, advantageously in such a way that one electrode is arranged outside the container, or on its outer surface, and the other electrode is arranged in the interior of the container. A particularly simple radially and axially spaced arrangement of the electrodes can be achieved in this way.
Als zylindrisches Rohr im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung wird jedes axial langgestreckte Behältnis angesehen, welches einen über seine Axialerstreckung im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist. Der Querschnitt kann rechteckig, insbesondere quadratisch, aber gleichermaßen auch elliptisch ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Behältnis ein kreiszylindrisches Rohr. Denkbar sind auch beliebige andere Querschnitte, z.B. Polygon-Züge, oder Rohrquerschnitte, die gerade Abschnitte und gekrümmte Abschnitte aufweisen.Any axially elongated container which has a substantially constant cross section over its axial extent is regarded as a cylindrical tube in the sense of the present patent application. The cross section can be rectangular, in particular square, but also elliptical. The container is preferably a circular cylindrical tube. Any other cross sections are also conceivable, e.g. Polygon trains, or pipe cross sections, which have straight sections and curved sections.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Rohr aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus einer oxidischen oder nitridischen Keramik oder aus Glas. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart, dass ein Wandungsbereich des Rohres unmittelbar die dielektrische Barriere bereitstellt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the tube consists of a dielectric material, in particular an oxide or nitride ceramic or glass. This enables a particularly simple embodiment of the device according to the invention in such a way that a wall area of the tube directly provides the dielectric barrier.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Behältnisses ein zweites (inneres) Behältnis für ein Prozessgas angeordnet. Dies ermöglicht eine konzentrische Anordnung des inneren Behältnisses und des (äußeren) Behältnisses, so dass der aus dem (äußeren) Behältnis austretende Plasma-Jet mantelartig einen inneren Kernbereich an Prozessgas umhüllen und so bis zur Substratoberfläche führen kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis des Querschnittes des von Trägergas durchflossenen Bereiches des Behältnisses zu dem Querschnitt des inneren Behältnisses gleich dem Verhältnis des Flusses an Trägergas zu dem Fluss an Prozessgas. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.According to a further advantageous embodiment of the invention, a second (inner) container for a process gas is arranged within the container. This enables a concentric arrangement of the inner container and the (outer) container, so that the Plasma jet emerging from the (outer) container envelop an inner core area of process gas in a jacket-like manner and can thus lead to the substrate surface. According to a further advantageous embodiment of the invention, the ratio of the cross section of the area of the container through which carrier gas flows to the cross section of the inner container is equal to the ratio of the flow of carrier gas to the flow of process gas. This enables a particularly efficient operation of the device according to the invention.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Strömungsrichtung des Prozessgases im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung des Trägergases. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise die Erzielung laminarer Strömungen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the flow direction of the process gas is essentially parallel to the flow direction of the carrier gas. This enables laminar flows to be achieved in a particularly simple manner.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das innere Behältnis aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus einer oxidischen oder nitridischen Keramik oder aus Glas. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Konstruktion der Vorrichtung und eine einfache Anordnung der radial inneren Elektrode an dem inneren Behältnis.According to a further advantageous embodiment of the invention, the inner container consists of a dielectric material, in particular of an oxide or nitride ceramic or of glass. This embodiment of the invention enables a particularly simple construction of the device and a simple arrangement of the radially inner electrode on the inner container.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Elektrode im Wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausbildung der Elektroden. Des Weiteren wird mit dieser Ausgestaltung der Erfindung aber auch eine zumindest teilweise Rotationssymmetrie der Vorrichtung möglich, die für eine besonders effiziente Wechselwirkung des Plasmas mit dem Trägergas sorgen kann, da eine Vielzahl möglicher Entladungskanäle ausbildbar ist. Bei einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung sind beide Elektroden im Wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet. Die beiden Elektroden sind axial voneinander beabstandet und weisen unterschiedliche Durchmesser auf, so dass eine innere und eine äußere Elektrode entsteht, es mithin zu einer radialen Beabstandung der Elektroden voneinander kommt. Bei dieser Anordnung ist eine unendliche Vielzahl kürzester Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden denkbar. Die beiden Elektroden weisen nämlich einander zugewandte Wirkkanten auf, die von kreisförmigen Randkanten der beiden Elektroden sind. Kürzeste Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden sind in diesem Falle solche, die zu den beiden Wirkkanten senkrecht stehen. Als Wirkkante einer Elektrode wird diejenige äußerste Begrenzungskante bezeichnet, die der anderen Elektrode am nächsten ist. Handelt es sich beispielsweise, wie in den Figuren 7 und 8 dieser Patentanmeldung dargestellt, um im Wesentlichen plattenförmige, zueinander parallel angeordnete Elektroden 17 und 18, so werden als Wirkkanten die zueinander parallelen, unmittelbar benachbarten bzw. einander gegenüberliegenden Randkanten 25a, 25b bezeichnet.According to a further advantageous embodiment of the invention, at least one electrode is essentially ring-shaped or sleeve-like. This enables a particularly simple design of the electrodes. Furthermore, this embodiment of the invention also enables an at least partial rotational symmetry of the device, which can ensure a particularly efficient interaction of the plasma with the carrier gas, since a large number of possible discharge channels can be formed. In a simple embodiment of the invention, both electrodes are essentially ring-shaped or sleeve-like. The two electrodes are axially spaced from one another and have different diameters, so that an inner and an outer electrode are formed, which means that the electrodes are radially spaced apart. With this arrangement, an infinite number of shortest connecting lines between the two electrodes is conceivable. This is because the two electrodes have active edges facing one another, which are of circular marginal edges of the two electrodes. In this case, the shortest connecting lines between the two electrodes are those which are perpendicular to the two active edges. The active edge of an electrode is the outermost boundary edge that is closest to the other electrode. If, for example, as shown in FIGS. 7 and 8 of this patent application, there are essentially plate-shaped electrodes 17 and 18 arranged parallel to one another, the active edges are the mutually parallel, immediately adjacent or opposite edge edges 25a, 25b.
Im Falle zweier ringförmiger oder hülsenartiger Elektroden, wie dies schematisch beispielsweise in Fig. 1 der vorliegenden Patentanmeldung dargestellt ist, fungieren als Wirkkanten die kreisförmige, radial äußere, der zweiten Elektrode 18 zugewandte Randkante 25a der Innenelektrode 17 und die radial innere, der inneren Elektrode 17 zugewandte Randkante 25b der äußeren Elektrode 18.In the case of two annular or sleeve-like electrodes, as is shown schematically, for example, in FIG. 1 of the present patent application, the circular, radially outer edge 25a of the inner electrode 17 facing the second electrode 18 and the radially inner, the inner electrode 17 act as active edges facing edge 25b of the outer electrode 18.
Es handelt sich bei den Wirkkanten der Elektroden also um die einander unmittelbar benachbarten äußersten Ränder oder Randbereiche der Elektroden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine Elektrode eine der anderen Elektrode zugewandte Wirkkante auf, die von einer Kreisform abweicht. Beispielsweise können hierzu Vorsprünge an den Wirkkanten vorgesehen werden, die die kürzeste Verbindungslinie zwischen den Elektroden verkürzen. Es kommt mithin zu einer vorbestimmten Anzahl genau definierter und geometrisch festgelegter kürzester Verbindungslinien. Entlang dieser kürzesten Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden bilden sich vornehmlich die Entladungskanäle aus. Durch Berechnung der Geometrie der Elektroden und durch Berechnung der räumlichen Anordnung und der Länge der kürzesten Verbindungslinie oder mehrerer kürzester Verbindungslinien zwischen den beiden Elektroden kann die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und dem Trägergas weiter optimiert werden.The active edges of the electrodes are the outermost edges of the electrodes which are immediately adjacent to one another. According to a further advantageous embodiment of the invention, at least one electrode has an active edge facing the other electrode which deviates from a circular shape. For example, projections can be provided on the active edges for this purpose, which shorten the shortest connecting line between the electrodes. This results in a predetermined number of precisely defined and geometrically defined shortest connecting lines. The discharge channels are primarily formed along these shortest connecting lines between the two electrodes. The interaction between the plasma and the carrier gas can be further optimized by calculating the geometry of the electrodes and by calculating the spatial arrangement and the length of the shortest connecting line or several shortest connecting lines between the two electrodes.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die kürzeste Verbindungslinie zwischen zwei Wirkkanten der beiden Elektroden gekrümmt. Als kürzeste Verbindungslinie zwischen zwei Wirkkanten der beiden Elektroden wird derjenige geometrische Vektor bezeichnet, der die beiden Elektroden auf kürzestem Wege miteinander verbindet. Eine kürzeste Verbindungslinie im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung durchschneidet auch die dielektrische Barriere. Eine gekrümmte kürzeste Verbindungslinie im Falle einer konzentrischen Anordnung von Innenrohr und Außenrohr durchschneidet jedoch nicht das dielektrische Innenrohr, sondern schmiegt sich beispielsweise wendeiförmig an das Innenrohr an. Diese Definition einer kürzesten Verbindungslinie trägt den tatsächlich entstehenden elektromagnetischen Feldern Rechnung Gleichermaßen kann eine gekrümmte kürzeste Verbindungslinie zwischen zwei Wirkkanten der Elektroden auch dadurch gebildet sein, dass eine radial äußere Elektrode durch Segmentierung derart ausgebildet ist, dass eine kürzeste Verbindungslinie aus verschiedenen Abschnitten unterschiedlicher Richtungen besteht und somit insgesamt eine einer gekrümmten Verbindungslinie angenäherte Verbindungslinie bildet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the shortest connecting line between two active edges of the two electrodes is curved. The shortest connecting line between two active edges of the two electrodes is the geometric vector that connects the two electrodes to one another in the shortest possible way. A shortest connecting line in the sense of the present patent application also cuts through the dielectric barrier. A curved shortest connecting line in the case of a concentric arrangement of the inner tube and outer tube does not, however, cut through the dielectric inner tube, but rather, for example, nestles helically against the inner tube. This definition of a shortest connecting line takes into account the electromagnetic fields actually created. Likewise, a curved shortest connecting line between two active edges of the electrodes can also be formed by that a radially outer electrode is formed by segmentation in such a way that a shortest connecting line consists of different sections of different directions and thus overall forms a connecting line approximating a curved connecting line.
Eine gekrümmte kürzeste Verbindungslinie ermöglicht eine weiter verbesserte Wechselwirkung zwischen dem Plasma und dem Trägergas. Beispielsweise kann die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Wirkkanten wendeiförmig ausgebildet sein und sich so schraubenlinienförmig, zumindest abschnittsweise, um das innere Rohr herumwinden.A curved shortest connecting line enables a further improved interaction between the plasma and the carrier gas. For example, the shortest connecting line between the two active edges can be designed to be helical and thus wind around the inner tube in a helical manner, at least in sections.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Elektrode segmentiert. Dies bedeutet, dass wenigstens eine Elektrode aus mindestens zwei elektrisch leitenden Elektrodenbestandteilen, beispielsweise Elektrodenflächen besteht, die voneinander getrennt sind. Lediglich an ein erstes Elektrodensegment wird dadurch eine Spannung angelegt. In dem zweiten Elektrodensegment wird eine Spannung induziert. Die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden verläuft dabei vorteilhafterweise insgesamt im Wesentlichen zwischen dem ersten Elektrodensegment und der anderen Elektrode. Tatsächlich verläuft eine erster Abschnitt einer kürzesten Verbindungslinie zwischen dem zweiten Elektrodensegment und einer inneren Elektrode und ein anderer Abschnitt der kürzesten Verbindungslinie zwischen dem zweiten Elektrodensegment und dem ersten Elektrodensegment. Die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden umfasst daher insgesamt zwei Abschnitte unterschiedlicher Richtungen bzw. weist eine den beiden Abschnitten angenäherte Grundform auf. Eine Segmentierung einer Elektrode kann dafür verwendet werden, den Entladungskanal zu beeinflussen und ihm beispielsweise eine vorher bestimmte und vorausberechnete Raumform zu geben. Auf diese Weise kann die Wechselwirkung zwischen Plasma und Trägergas weiter optimiert werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, at least one electrode is segmented. This means that at least one electrode consists of at least two electrically conductive electrode components, for example electrode surfaces, which are separated from one another. As a result, a voltage is only applied to a first electrode segment. A voltage is induced in the second electrode segment. The shortest connecting line between the two electrodes advantageously runs essentially overall between the first electrode segment and the other electrode. In fact, a first section of a shortest connecting line runs between the second electrode segment and an inner electrode and another section of the shortest connecting line runs between the second electrode segment and the first electrode segment. The shortest connecting line between the two electrodes therefore comprises a total of two sections of different directions or has a basic shape approximating the two sections. Segmentation of an electrode can be used to influence the discharge channel and, for example, to give it a previously determined and pre-calculated spatial shape. In this way, the interaction between plasma and carrier gas can be further optimized.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrode stromaufwärts und die zweite Elektrode stromabwärts, bezogen auf die Strömungsrichtung des Trägergases angeordnet. Insbesondere kann dabei die erste Elektrode an einer Außenmantelfläche des inneren Behältnisses angeordnet sein und mit ihrer elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Außenmantelfläche dem Trägergas zugewandt sein. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Kontaktierung der ersten Elektrode zur Verbindung mit einem Spannungsgenerator. Außerdem kann das Trägergas an der metallischen Außenmantelfläche der ersten Elektrode vorbeiströmen, bevor es dem Plasma zugeführt wird. Die Elektrodengeometrie kann daher mit vergleichsweise geringem konstruktiven Aufwand erreicht werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, the first electrode is arranged upstream and the second electrode downstream, based on the direction of flow of the carrier gas. In particular, the first electrode can be arranged on an outer lateral surface of the inner container and can face the carrier gas with its electrically conductive, in particular metallic outer lateral surface. This embodiment of the invention enables a particularly simple contacting of the first electrode for connection to a voltage generator. In addition, the carrier gas can flow past the metallic outer surface of the first electrode before it is supplied to the plasma. The electrode geometry can therefore be achieved with comparatively little design effort.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung mit wenigstens einer weiteren Vorrichtung zu einer Reihenanordnung zusammengefasst. Dies ermöglicht eine Vorrichtung, die eine Vielzahl von Plasma-Jets zur Bearbeitung eines Substrates erzeugen kann. Vorteilhafterweise erstreckt sich eine Vielzahl von Vorrichtungen, beispielsweise fünf bis zehn Vorrichtungen, entlang einer Reihe. Mehrere Reihen können auch zu einer rasterartigen Anordnung, einem sogenannten „array" aus Vorrichtungen zusammengesetzt sein. Besonders vorteilhaft ist, wenn mehrere Vorrichtungen eine gemeinsame Trägergaszuführung und/oder eine gemeinsame Prozessgaszuführung aufweisen. Der Konstruktionsaufwand für eine derartige Vorrichtung kann auf diese Weise gering gehalten werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, the device is combined with at least one further device to form a row arrangement. This enables a device that can generate a large number of plasma jets for processing a substrate. A plurality of devices, for example five to ten devices, advantageously extend along a row. Several rows can also be composed of devices in a grid-like arrangement, a so-called “array”. It is particularly advantageous if several devices have a common carrier gas supply and / or a common one Have process gas supply. The design effort for such a device can be kept low in this way.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nicht zitierten Unteransprüche sowie aus der nun folgenden Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele. Darin zeigen:Further advantages of the invention result from the subclaims not cited and from the following description of the exemplary embodiments shown in the figures. In it show:
Fig. 1 in teilgeschnittener, schematischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,1 is a partially sectioned, schematic view of a first embodiment of the device according to the invention,
Fig. 2 in einer Darstellung gemäß Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Art einer Multi-Jet- Plasmaquelle,2 shows, in a representation according to FIG. 1, a second exemplary embodiment of the device according to the invention in the manner of a multi-jet plasma source,
Fig. 3 eine zylindrische Projektion der beiden Elektroden einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 in schematischer Darstellung,3 shows a cylindrical projection of the two electrodes of a device according to FIG. 1 in a schematic illustration,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß Fig. 3,4 shows a further exemplary embodiment of an electrode geometry in a representation according to FIG. 3,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß Fig. 3,5 shows a third exemplary embodiment of an electrode geometry in a representation according to FIG. 3,
Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie in einer Darstellung gemäß Fig. 3,6 shows a fourth exemplary embodiment of an electrode geometry in a representation according to FIG. 3,
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen, teilgeschnittenen Seitenansicht ähnlich Fig. 1, und Fig. 8 die Vorrichtung gemäß Fig. 7 in einer schematischen, teilgeschnittenen Darstellung etwa entlang Schnittlinie Vlll-Vlll in Fig. 7. Das erfindungsgemäße Prinzip soll zunächst anhand des drittenFig. 7 shows a third embodiment of the device according to the invention in a schematic, partially sectioned side view similar to Fig. 1, and FIG. 8 shows the device according to FIG. 7 in a schematic, partially sectioned illustration approximately along section line VIII-VIII in FIG. 7. The principle according to the invention should first be described with reference to the third
Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 7 bis 8 erläutert werden. Angemerkt sei zunächst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet ist. Gleiche oder vergleichbare Teile oder Elemente der Vorrichtung sind in der nun folgenden Beschreibung der Übersichtlichkeit halber mit gleichen Bezugszeichen, teilweise unter Hinzufügung kleiner Buchstaben bezeichnet worden.Embodiment according to Figures 7 to 8 are explained. It should first be noted that the device according to the invention is designated 10 in its entirety. For the sake of clarity, identical or comparable parts or elements of the device have been given the same reference numerals, sometimes with the addition of small letters.
Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Bearbeitung eines Substrates 11 beziehungsweise insbesondere zur Bearbeitung einer Oberfläche 12 des Substrates 11 sehr schematisch. Ein Plasma-Jet 13 kann durch einen Auslass 14 der Vorrichtung 10 aus der Vorrichtung 10 extrahiert werden und bis an das Substrat 11 herangeführt werden. Dort kann er eine Bearbeitung der Oberfläche 12 vornehmen, beispielsweise die Oberfläche 12 beschichten, strukturieren, modifizieren od. dgl.7 shows a device 10 according to the invention for processing a substrate 11 or in particular for processing a surface 12 of the substrate 11 in a very schematic manner. A plasma jet 13 can be extracted from the device 10 through an outlet 14 of the device 10 and can be brought up to the substrate 11. There he can carry out a processing of the surface 12, for example coating, structuring, modifying or the like.
Fig. 7 lässt bereits erkennen, dass das zu bearbeitende Substrat von der Vorrichtung 10 beabstandet angeordnet ist. Die nachfolgend beschriebenen Elektroden 17, 18 sind somit auf der gleichen Seite des Substrates 11 angeordnet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung spielt es darüber hinaus auch keine Rolle, ob das Substrat 11 bzw. dessen Oberfläche 12 leitend oder isolierend ausgebildet ist. Das an die Vorrichtung 10 herangeführte Substrat 11 beeinflusst die Elektrodenpotentiale nicht. Die Vorrichtung 10 umfasst ein zylindrisches Behältnis 15, welches bei dem Ausführungsbeispiel aus einem isolierenden, das heißt dielektrischen, Material besteht. Fig. 8 lässt erkennen, dass das Behältnis 15 einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt besitzt, der von vier Seitenwänden 16a, 16b, 16c, 16d gebildet wird. Durch das Behältnis 15 hindurch strömt im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung des Pfeiles x ein Trägergas, insbesondere Helium. Die Strömungsrichtung x entspricht dabei im Wesentlichen der Richtung einer Längsmittelachse des Behältnisses 15.FIG. 7 already shows that the substrate to be processed is arranged at a distance from the device 10. The electrodes 17, 18 described below are thus arranged on the same side of the substrate 11. In the device according to the invention, it is also irrelevant whether the substrate 11 or its surface 12 is made conductive or insulating. The substrate 11 brought up to the device 10 does not influence the electrode potentials. The device 10 comprises a cylindrical container 15, which in the embodiment consists of an insulating, that is dielectric, material is made. 8 shows that the container 15 has an essentially square cross section, which is formed by four side walls 16a, 16b, 16c, 16d. A carrier gas, in particular helium, flows through the container 15 essentially along the direction of flow of the arrow x. The flow direction x essentially corresponds to the direction of a longitudinal central axis of the container 15.
An der unteren Seitenwand 16a des Behältnisses 15 ist eine erste, im Wesentlichen plattenförmige Elektrode 17 angeordnet. Sie ist mit ihrer nackten Oberseite, also mit ihrer metallischen Außenfläche 19, dem Innenraum 24 des Behältnisses 15 zugewandt.A first, essentially plate-shaped electrode 17 is arranged on the lower side wall 16a of the container 15. With its bare upper side, ie with its metallic outer surface 19, it faces the interior 24 of the container 15.
Eine zweite, im Wesentlichen plattenförmige Elektrode 18 ist bezüglich der Figuren 7 und 8 oberhalb der oberen Seitenwand 16c des Behältnisses 15 angeordnet. Die zweite Elektrode 18 ist mit einer Isolier- Umhüllung 20 versehen.A second, essentially plate-shaped electrode 18 is arranged with respect to FIGS. 7 and 8 above the upper side wall 16c of the container 15. The second electrode 18 is provided with an insulating sheath 20.
Im Folgenden wird der Übersichtlichkeit halber die erste Elektrode 17 als stromaufwärtige Elektrode und die zweite Elektrode 18 als stromabwärtige Elektrode bezeichnet, was der Richtung x des Flusses des Trägergases Rechnung trägt.For the sake of clarity, the first electrode 17 is referred to as the upstream electrode and the second electrode 18 as the downstream electrode, which takes into account the direction x of the flow of the carrier gas.
Die stromaufwärtige Elektrode 17 ist von der stromabwärtigen Elektrode 18 um den Abstand L in Axialrichtung, also in Richtung der Strömungsrichtung x des Trägergases, beabstandet. Zugleich ist die stromaufwärtige Elektrode 17 von der stromabwärtigen Elektrode 18 um einen Betrag R in Radialrichtung, also quer zur Strömungsrichtung x des Trägergases beabstandet. Die beiden Elektroden 17, 18 sind daher axial und radial voneinander beabstandet. Die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden 17, 18 ist mit 21 bezeichnet. Es handelt sich dabei um die Linie, die auf kürzestem Wege eine Außenkante 25a der ersten Elektrode 17 mit einer Außenkante 25b der zweiten Elektrode 18 verbindet. Die Elektroden 17, 18 sind bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7 und 8 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Dementsprechend sind die beiden einander zugewandten Randkanten 25a, 25b der beiden Elektroden 17, 18, die im Folgenden als Wirkkanten bezeichnet werden, jeweils entlang einer Geraden ausgerichtet und zueinander parallel.The upstream electrode 17 is spaced from the downstream electrode 18 by the distance L in the axial direction, that is to say in the direction of the flow direction x of the carrier gas. At the same time, the upstream electrode 17 is spaced from the downstream electrode 18 by an amount R in the radial direction, that is to say transversely to the flow direction x of the carrier gas. The two electrodes 17, 18 are therefore axially and radially spaced apart. The shortest connecting line between the two electrodes 17, 18 is designated 21. This is the line that connects an outer edge 25a of the first electrode 17 with an outer edge 25b of the second electrode 18 in the shortest possible way. In the exemplary embodiment in FIGS. 7 and 8, the electrodes 17, 18 are essentially plate-shaped. Accordingly, the two mutually facing edge edges 25a, 25b of the two electrodes 17, 18, which are referred to below as active edges, are each aligned along a straight line and parallel to one another.
Wird zwischen den beiden Elektroden 17, 18 eine Wechselspannung einer geeigneten Frequenz und einer geeigneten Amplitude angelegt, was über einen in den Figuren 7 und 8 nicht dargestellten Spannungsgenerator geschieht, so bildet sich ein Entladungshauptkanal 22 im Bereich der kürzesten Verbindungslinie 21 aus, und zwar im Wesentlichen entlang der kürzesten Verbindungslinie 21. Der Hauptkanal 22 der Entladung ist in den Figuren 1, 7 und 8 schematisch im Querschnitt nach Art einer schmalen, langgestreckten Wolke dargestellt. Ein derartiges Bild ergibt sich auch für einen Betrachter, wenn mit geeigneten Mitteln eine bildliche Aufnahme von der Vorrichtung im Betrieb gemacht wird.If an alternating voltage of a suitable frequency and a suitable amplitude is applied between the two electrodes 17, 18, which is done via a voltage generator not shown in FIGS. 7 and 8, a main discharge channel 22 is formed in the region of the shortest connecting line 21, specifically in the Essentially along the shortest connecting line 21. The main channel 22 of the discharge is shown schematically in FIGS. 1, 7 and 8 in cross section in the manner of a narrow, elongated cloud. Such an image also results for an observer if a suitable image is taken of the device in operation.
Durch Wechselwirkung des Entladungshauptkanales mit dem Trägergas bildet sich ein Plasma 23, eine sogenannte Primärentladung, nach Art einer Plasmawolke, die in Richtung zu dem Substrat 11 hin in einem Plasma-Jet 13 mündet. Bei geeigneter Wahl des Flusses des Trägergases kann das Substrat 11 mittels des Plasma-Jets bearbeitet werden.The interaction of the main discharge channel with the carrier gas forms a plasma 23, a so-called primary discharge, in the manner of a plasma cloud, which opens into a plasma jet 13 in the direction of the substrate 11. With a suitable choice of the flow of the carrier gas, the substrate 11 can be processed by means of the plasma jet.
Dadurch, dass der Hauptentladungskanal 22 im Wesentlichen entlang der kürzesten Verbindungslinie 21 eine besondere räumliche Lage und Länge, bezogen auf die Richtung x des Stromes des Trägergases einnimmt, kann ein besonders langer und intensiver Plasma-Jet 13 gebildet werden. Die vorherbestimmbare räumliche Anordnung des Hauptentladungskanales 22 bewirkt eine Maximierung der Leistungseinkopplung in die chemisch und physikalisch angeregten Spezies in dem Trägergas. Dadurch, dass der Hauptentladungskanal 22 unter einem spitzen Winkel α zu der Strömungsrichtung x des Trägergases geneigt ist, kann das Trägergas mit einem großen Volumen mit dem Hauptentladungskanal 22 zusammenwirken und wird auf diese Weise räumlich und zeitlich besonders gut geführt. Aufgrund eines längeren und intensiveren Plasma-Jets 13 kann das Substrat effizienter behandelt werden.Because the main discharge channel 22 has a particular spatial position and length, essentially along the shortest connecting line 21, based on the direction x of the flow of the carrier gas occupies, a particularly long and intense plasma jet 13 can be formed. The predeterminable spatial arrangement of the main discharge channel 22 maximizes the coupling of power into the chemically and physically excited species in the carrier gas. Because the main discharge channel 22 is inclined at an acute angle α to the flow direction x of the carrier gas, the carrier gas can cooperate with the main discharge channel 22 in a large volume and is thus conducted particularly well in terms of space and time. Because of a longer and more intensive plasma jet 13, the substrate can be treated more efficiently.
Anhand der Fig. 1 soll nun ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 beschrieben werden, bei dem das Behältnis 15 als ein kreiszylindrisches hohles Rohr 15 ausgebildet ist. Innerhalb des äußeren Rohres 15 ist konzentrisch zu diesem ausgerichtet ein zweites inneres Rohr 26 angeordnet. Durch das Innenrohr 26 hindurch kann entlang der Strömungsrichtung y, also im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung x des Trägergases, ein Prozessgas strömen. Auch das Innenrohr 26 besteht aus dielektrischem Material.A second exemplary embodiment of the device 10 according to the invention will now be described with reference to FIG. 1, in which the container 15 is designed as a circular cylindrical hollow tube 15. Within the outer tube 15, a second inner tube 26 is arranged concentrically to this. A process gas can flow through the inner tube 26 along the flow direction y, that is to say essentially parallel to the flow direction x of the carrier gas. The inner tube 26 is also made of dielectric material.
Die erste Elektrode 17 ist im Wesentlichen hülsenartig, also nach Art eines axial langgestreckten Ringes ausgebildet und auf der Außenmantelfläche 33 des Innenrohres 26 aufgebracht. Mit ihrer Außenseite 19 ist sie dem ringraumförmigen Innenraum 24 des Behältnisses 15 zugewandt.The first electrode 17 is essentially sleeve-like, that is to say in the form of an axially elongated ring, and is applied to the outer circumferential surface 33 of the inner tube 26. With its outer side 19, it faces the annular interior 24 of the container 15.
Die zweite, stromabwärtige Elektrode 18 ist auf der Außenmantelfläche 34 des Außenrohres 15 angebracht. Sie ist ebenfalls im Wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet und umgibt das Außenrohr 15 in Umfangsrichtung. Auf ihrer Außenmantelfläche 35 ist die stromabwärtige Elektrode 18 von einer Isolier-Umhüllung 20 umgeben. Auch die zu dem Substrat 11 hin gerichtete Ringstirnfläche einschließlich der Randkante 36 der zweiten Elektrode 18 ist von einem Bereich 20a der Isolier-Umhüllung 20 umgeben.The second, downstream electrode 18 is attached to the outer lateral surface 34 of the outer tube 15. It is also essentially ring-shaped or sleeve-like and surrounds the outer tube 15 in the circumferential direction. On its outer surface 35 is the downstream electrode 18 surrounded by an insulating jacket 20. The ring end face directed toward the substrate 11, including the edge 36 of the second electrode 18, is also surrounded by a region 20a of the insulating sheath 20.
Die erste Elektrode 17 ist über eine Verbindungsleitung 28a und die zweite Elektrode 18 über eine Verbindungsleitung 28b mit einem Wechselspannungsgenerator 27 verbunden. Bei Anlegen einer Wechselspannung einer Frequenz typischerweise zwischen 1 und 30 kHz und bei einer Amplitude von 100 V bis 10 kV kommt es zur Bildung eines Hauptentladungskanales 22 im Wesentlichen entlang einer kürzesten Verbindungslinie 21 zwischen einer Wirkkante 25a und der ersten Elektrode 17 und einer Wirkkante 25b der zweiten Elektrode 18. Fig. 1 zeigt schematisch eine realitätsnahe bildliche Momentaufnahme der Vorrichtung im Betrieb, aus der deutlich wird, dass der Hauptentladungskanal 22 von der kürzesten Verbindungslinie 21 tatsächlich nur geringfügig abweicht. Dies ist unter anderem begründet in der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases entlang der Strömungsrichtung x.The first electrode 17 is connected to an AC voltage generator 27 via a connecting line 28a and the second electrode 18 via a connecting line 28b. When an AC voltage of a frequency is typically applied between 1 and 30 kHz and with an amplitude of 100 V to 10 kV, a main discharge channel 22 is formed essentially along a shortest connecting line 21 between an active edge 25a and the first electrode 17 and an active edge 25b second electrode 18. FIG. 1 schematically shows a realistic pictorial snapshot of the device in operation, from which it becomes clear that the main discharge channel 22 actually only slightly deviates from the shortest connecting line 21. One reason for this is the flow velocity of the carrier gas along the flow direction x.
Des Weiteren muss hinsichtlich der Fig. 1 angemerkt werden, dass Fig. 1 eine Bild-Aufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellt. Würde man den Zustand der Vorrichtung gemäß Fig. 1 einige Mikrosekunden früher oder später betrachten, stellt man fest, dass sich an einem anderen Bereich zwischen den beiden Elektroden 17 und 18 Hauptentladungskanäle 22 bilden.Furthermore, with regard to FIG. 1, it must be noted that FIG. 1 represents an image recording at a specific point in time. If one looked at the state of the device according to FIG. 1 a few microseconds earlier or later, it would be found that main discharge channels 22 are formed in another area between the two electrodes 17 and 18.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besitzt die erste Elektrode 17 und die zweite Elektrode 18 beispielsweise jeweils eine kreisförmige Wirkkante 25a, 25b. Die jeweils kürzesten Verbindungslinien 21 zwischen den beiden Wirkkanten 25a, 25b sind daher rotationssymmetrisch um die Mittellängsachse M der Vorrichtung 10 herum verteilt. Da die Hauptentladungskanäle 22 jeweils nur einige Mikrosekunden bestehen bleiben, welches im Folgenden detaillierter beschrieben wird, bilden sich innerhalb kurzer Zeit nacheinander jeweils unterschiedliche Hauptentladungskanäle.In the exemplary embodiment in FIG. 1, the first electrode 17 and the second electrode 18 each have, for example, a circular active edge 25a, 25b. The shortest connecting lines 21 between each the two active edges 25a, 25b are therefore distributed rotationally symmetrically around the central longitudinal axis M of the device 10. Since the main discharge channels 22 each remain only a few microseconds, which is described in more detail below, different main discharge channels are formed in succession within a short time.
Durch Wechselwirkung des Trägergases mit den Hauptentladungskanälen 22 kommt es zur Bildung einer Plasmawolke 23, die in einen Plasma-Jet 13 mündet, der aus der Plasma-Jet-Öffnung 14 aus der Vorrichtung 10 extrahiert wird.The interaction of the carrier gas with the main discharge channels 22 leads to the formation of a plasma cloud 23, which opens into a plasma jet 13, which is extracted from the device 10 from the plasma jet opening 14.
Das Prozessgas gelangt durch einen Prozessgas-Auslass 32, also dem bezüglich Fig. 1 linken Ende des Innenrohres 26, in den Plasma-Jet 13 hinein und bildet dort eine Kernzone 29 aus Prozessgas, die bis zur Substratoberfläche 12 reicht. Der Plasma-Jet 13 bildet eine Art Mantelzone 30 aus, die die Kernzone 29 umgibt. In dem Fußbereich 31 des Plasma-Jets 13, in dem dieser auf die Substratoberfläche 12 trifft, verbreitert sich der Plasma-Jet 13, wobei sich auch im Bereich des Fußes 31 noch eine Kernzone 29a und eine Mantelzone 30a erkennen lässt. Diese Ausbildung von Kernzone 29 und Mantelzone 30 ermöglicht eine besonders homogene Bearbeitung des Substrates 11 bei einer besonders großen Bearbeitungstiefe. Der außen liegende Mantelbereich 30 weist eine höhere Konzentration von metastabil angeregten Spezies auf, wodurch in diesem Bereich eine höhere Elektronenkonzentration erreicht wird und ein Transfer der elektromagnetischen Leistung auf eine größere Entfernung entlang des Plasma-Jets 13 und über eine größere Fläche des Substrates 11 im Fußbereich 31 des Plasma-Jets 13 möglich ist. Bei einer solchen Struktur des Plasma-Jets 13 vermischen sich das Trägergas mit dem Prozessgas erst an der Oberfläche 12 des Substrates, wodurch es erst dort zur intensiven Energieübertragung durch Quenching und Penning- Stöße von den Teilchen aus dem Mantelbereich 30a mit den Teilchen aus dem Kernbereich 29b kommt. In dem Mantelbereich 30a befinden sich nicht nur die metastabil angeregten Helium-Atome und Moleküle. Ein Teil der metastabilen Anregungsenergie wird auf die in der umgebenden Luft enthaltenden Stickstoff-Moleküle übertragen. Es kommt zur Erzeugung von sehr langlebigen metastabil angeregten Stickstoff-Molekülen, die sowohl zum Transfer der chemischen als auch elektromagnetischen Energie zum Substrat 11 beitragen.The process gas enters the plasma jet 13 through a process gas outlet 32, that is to say the left end of the inner tube 26 with respect to FIG. 1, and there forms a core zone 29 of process gas which extends to the substrate surface 12. The plasma jet 13 forms a type of jacket zone 30 which surrounds the core zone 29. The plasma jet 13 widens in the foot region 31 of the plasma jet 13, in which it hits the substrate surface 12, a core zone 29a and a jacket zone 30a also being recognizable in the region of the foot 31. This formation of core zone 29 and cladding zone 30 enables a particularly homogeneous processing of the substrate 11 with a particularly large processing depth. The outer jacket region 30 has a higher concentration of metastably excited species, as a result of which a higher electron concentration is achieved in this region and a transfer of the electromagnetic power to a greater distance along the plasma jet 13 and over a larger area of the substrate 11 in the foot region 31 of the plasma jet 13 is possible. With such a structure of the plasma jet 13, the carrier gas mixes with the Process gas only on the surface 12 of the substrate, as a result of which there is intensive energy transfer by quenching and Penning impacts from the particles from the jacket region 30a with the particles from the core region 29b. Not only the metastably excited helium atoms and molecules are located in the cladding region 30a. Part of the metastable excitation energy is transferred to the nitrogen molecules contained in the surrounding air. Very long-lived metastably excited nitrogen molecules are generated, which contribute to the transfer of chemical as well as electromagnetic energy to substrate 11.
Das Innenrohr 26 und das Außenrohr 15 sind aus einem elektrischen Isolator gebildet. Im Bereich der zweiten Elektrode 18 bildet das Außenrohr 15 daher unmittelbar die dielektrische Barriere aus.The inner tube 26 and the outer tube 15 are formed from an electrical insulator. In the area of the second electrode 18, the outer tube 15 therefore directly forms the dielectric barrier.
Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann zwischen der ersten Elektrode 17 und der zweiten Elektrode 18 selbstverständlich auch noch eine zweite dielektrische Barriere angeordnet sein. Beispielsweise, kann dazu auf der Außenumfangsf lache 19 der ersten Elektrode 17 eine weitere Isolier-Umhüllung angebracht werden.In an embodiment not shown, a second dielectric barrier can of course also be arranged between the first electrode 17 and the second electrode 18. For example, a further insulating sheath can be attached to the outer circumferential surface 19 of the first electrode 17.
Die erste Elektrode 17 ist von der zweiten Elektrode 18 um einen Axialabstand L beabstandet. Der Radialabstand R zwischen der ersten Elektrode 17 und der zweiten Elektrode 18 ist in Umfangsrichtung um die Mittellängsachse M herum konstant.The first electrode 17 is spaced from the second electrode 18 by an axial distance L. The radial distance R between the first electrode 17 and the second electrode 18 is constant in the circumferential direction around the central longitudinal axis M.
Die zweite Elektrode 18 befindet sich näher am Substrat 11, als die erste Elektrode 17. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Konstruktion. Für gegebene Betriebsbedingungen gibt es einen Abstand L, bei dem die Länge I des Plasma-Jets 13 maximal ist. Wenn der Abstand L zu kurz ist, bietet die Länge der Entladungskanäle 22 zwischen den Elektrodenkanten 25a und 25b zu wenig Wechselwirkung mit dem Trägergas, wodurch die Konzentration der angeregten Spezies in dem Plasma-Jet 13 sinkt. Wenn der Abstand zu lang ist, verringert sich das zwischen den Elektroden 17, 18 entstehende elektrische Wechselfeld entlang der kürzesten Verbindungslinie 21, wodurch die Intensität der Primärentladung sinkt. Dies führt ebenfalls zur Verringerung der Konzentration der angeregten Spezies in dem Plasma-Jet 13. Mit steigender Konzentration der metastabil angeregten Spezies im Plasma- Jet 13 sinkt die zur Erreichung eines gegebenen lonisationsgrades des Plasma-Jets notwendige Energie. Dies führt bei konstant bleibender Leistung zu höheren Elektronenkonzentration und einem größeren Volumen, vor allem einer größeren Länge I, des Plasma-Jets.The second electrode 18 is closer to the substrate 11 than the first electrode 17. This enables a particularly advantageous construction. For given operating conditions there is a distance L at which the length I of the plasma jet 13 is at a maximum. If the distance L is too short, the length of the discharge channels 22 between the electrode edges 25a and 25b offers too little interaction with the carrier gas, as a result of which the concentration of the excited species in the plasma jet 13 drops. If the distance is too long, the alternating electrical field that arises between the electrodes 17, 18 along the shortest connecting line 21 is reduced, as a result of which the intensity of the primary discharge decreases. This also leads to a reduction in the concentration of the excited species in the plasma jet 13. With increasing concentration of the metastably excited species in the plasma jet 13, the energy required to achieve a given degree of ionization of the plasma jet decreases. With constant power, this leads to a higher electron concentration and a larger volume, especially a greater length I, of the plasma jet.
Die effizienteste Methode der Leistungsversorgung ist ein Resonanzschaltkreis. In solchem Fall hat das Spannungssignal die Form einer Sinus-Funktion. Aber die Entladung kann prinzipiell auch mit Spannungssignalen anderer Formen versorgt werden. Die Anwendung eines Resonanzschaltkreises als Spannungsgenerator für den Plasma-Jet 13 ermöglicht die höchste Effizienz der Leistungseinkopplung und den Verzicht auf eine Abstimmeinheit. Während der Experimente mit dieser Ausführung der Erfindung wurde festgestellt, dass sich der längste Plasma-Jet 13 mit geerdeter Innenelektrode 17 und polarisierter Außenelektrode 18 erreichen lässt. Aber prinzipiell funktioniert die Vorrichtung auch mit einer geerdeten Außenelektrode 18 oder mit einem zwischen den Elektrodenpotentialen liegenden Erdepunkt. Durch die elektrische Verschiebung der Elektrodenpotentiale im Bezug auf Erdepunkt, z.B. durch die Anwendung eines Spannungsteilers, lässt sich die Länge I des Jets 13 kontrollieren, was zur gezielten Verstellung der Behandlungstiefe des Plasma-Jets 13 benutzt werden kann.The most efficient method of power supply is a resonance circuit. In such a case, the voltage signal has the form of a sine function. In principle, the discharge can also be supplied with voltage signals of other forms. The use of a resonance circuit as a voltage generator for the plasma jet 13 enables the highest efficiency of the power coupling and the dispensing with a tuning unit. During the experiments with this embodiment of the invention, it was found that the longest plasma jet 13 can be reached with a grounded inner electrode 17 and polarized outer electrode 18. In principle, however, the device also works with an earthed outer electrode 18 or with an earth point lying between the electrode potentials. The electrical displacement of the electrode potentials in relation to the earth point, for example by using a voltage divider, can be used check the length I of the jet 13, which can be used to specifically adjust the treatment depth of the plasma jet 13.
Die Außenelektrode 18 ist mit einer Isolierversiegelung 20, 20a versehen, die die Ausbreitung von Koronaentladungen startend von der Kante 36 der Außenelektrode 18, über die Ringstirnfläche 37 des Außenrohres 15 herum verhindert. Solche parasitäre Entladungen führen zur Generierung von Ozon und Stickoxiden in der Umgebungsluft mit Konzentrationen, die weit die zulässigen Grenzwerte überschreiten. Sie bewirken auch die Ausbildung einer „Virtuellen" Außenelektrode, deren Fläche durch die Fläche der Korona-Entladungen erhöht wird. Es wird auch ein großer Teil der elektrischen Energie in diese parasitären Korona- Entladungen eingekoppelt. Aus diesen Gründen ist die konstruktive Vermeidung dieses unerwünschten Effektes sehr wichtig.The outer electrode 18 is provided with an insulating seal 20, 20a, which prevents the spread of corona discharges starting from the edge 36 of the outer electrode 18, over the ring end face 37 of the outer tube 15. Such parasitic discharges lead to the generation of ozone and nitrogen oxides in the ambient air with concentrations that far exceed the permissible limit values. They also cause the formation of a "virtual" outer electrode, the area of which is increased by the area of the corona discharges. A large part of the electrical energy is also coupled into these parasitic corona discharges. For these reasons, this undesirable effect is to be avoided constructively very important.
Es wurde auch experimentell nachgewiesen, dass sich ein wesentlich längerer Plasma-Jet 13 unter Bedingungen der laminaren Strömung erreichen lässt. Praktisch bedeutet es, dass die Länge I des Jets 13 mit steigendem Gasfluss nicht monoton wächst, sondern für einen bestimmten Gasfluss ein Maximum erreicht und es bei einer weiteren Erhöhung des Gasflusses zu einer Verringerung der Plasma-Jet-Länge I kommt. Einen Einfluss auf den Übergang von der laminaren zur turbulenten Strömung hat nicht nur der gesamte Gasfluss sondern auch die Art und Weise, wie das Prozessgas dem Trägergas zugeführt wird.It has also been experimentally proven that a much longer plasma jet 13 can be achieved under laminar flow conditions. In practice, it means that the length I of the jet 13 does not increase monotonously with increasing gas flow, but instead reaches a maximum for a specific gas flow and that the plasma jet length I is reduced as the gas flow increases further. Not only the entire gas flow has an impact on the transition from laminar to turbulent flow, but also the way in which the process gas is supplied to the carrier gas.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es wichtig, dass die Austrittsgeschwindigkeiten des Trägergases und des Prozessgases ähnlich sind um Verwirbelungen zu vermeiden. Dies ist erfüllt, wenn das Verhältnis der Querschnittsfläche des koaxialen Bereiches 24 (Ringraum) zwischen dem Außenrohr 15 und dem Innenrohr 26 und der Querschnittsfläche der Öffnung des Innenrohres 26 ca. gleich dem Verhältnis des Trägergas-Flusses zu dem Prozessgasfluss ist.In the device according to the invention it is important that the exit speeds of the carrier gas and the process gas are similar in order to avoid turbulence. This is fulfilled if the ratio of the cross-sectional area of the coaxial region 24 (annular space) between the outer tube 15 and the inner tube 26 and the Cross-sectional area of the opening of the inner tube 26 is approximately equal to the ratio of the carrier gas flow to the process gas flow.
Bedeutsam für die optimale Gestaltung der Struktur des Plasma-Jets 13 ist auch der Abstand d zwischen dem Prozessgasaustritt 32 und dem Trägergasaustritt 14. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Auslass 32 des Prozessgases sich näher an dem Substrat 11 befindet, als der Auslass 14 des Plasma-Jets 13 beziehungsweise der Trägergasauslass 14. Der Abstand d kann dabei etwa bis zu dem Doppelten des Innendurchmessers 38 des Außenrohres 15 betragen.The distance d between the process gas outlet 32 and the carrier gas outlet 14 is also important for the optimal design of the structure of the plasma jet 13. FIG. 1 shows an embodiment in which the outlet 32 of the process gas is closer to the substrate 11 than that Outlet 14 of the plasma jet 13 or the carrier gas outlet 14. The distance d can be approximately up to twice the inner diameter 38 of the outer tube 15.
Alternativ ist auch denkbar, dass sich der Auslass 14 des Behältnisses 15 für das Trägergas näher an dem Substrat 11 befindet, als der Auslass 32 des Prozessgases. Der Abstand zwischen dem Auslass 14 und dem Auslass 32 kann in diesem Falle bis zu dem zehnfachen des Innendurchmessers 38 des Außenrohres 15 betragen. Die Wahl des Abstandes d ist abhängig von dem Prozessgas und von den Prozessbedingungen. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 40 in einer Darstellung gemäß Fig. 1, bei der mehrere der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen 10 in einer Reihe angeordnet sind. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt vier in Reihe angeordnete Vorrichtungen 10, die jeweils einen Plasma-Jet 13a, 13b, 13c, 13d erzeugen. Die Bearbeitungsbreite B beträgt somit etwa das Vierfache der Bearbeitungsbreite der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1. Aus Darstellungsgründen sind der Hauptentladungskanal 22 und die Kernzone 29 gemäß Fig. 1 bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 nicht dargestellt. Die in ihrer Gesamtheit in Fig. 2 mit 40 bezeichnete Multi-Jet- Plasmaquelle weist ein Isoliergehäuse 39 auf, an dem die Außenrohre 15a, 15b, 15c, 15d in paralleler Ausrichtung zueinander befestigt sind. Die Innenrohre 26a, 26b, 26c, 26d sind an einer Befestigungsplatte 43 befestigt. Die Befestigungsplatte 43 sorgt darüber hinaus für eine elektrische Verbindung der vier Innenelektroden 17a, 17b, 17c, 17d miteinander, die gemeinsam mit einem Massepol 45 sowie über die Verbindungsleitung 28a mit der Spannungsversorgung 27 verbunden sind. Die Außenelektroden 18a, 18b, 18c, 18d sind über Leitungsabschnitte 44a, 44b, 44c miteinander und über einen Leitungsabschnitt 28b mit der Spannungsquelle 27 verbunden. Alle Außenelektroden 18a, 18b, 18c, 18d befinden sich somit auf gleichem Potential. Auch alle Innenelektroden 17a, 17b, 17c, 17d befinden sich jeweils auf gleichem Potential. Ein erster Gasverteilungsraum 41 für das Prozessgas versorgt über eine gemeinsame Prozessgas-Einlassöffnung 46 die vier Innenrohre 26a, 26b, 26c, 26d mit Prozessgas. Ein zweiter Gasverteilungsraum 42 versorgt über eine gemeinsame Trägergas-Einlassöffnung 47 die vier Behältnisse 15a, 15b, 15c, 15d mit Trägergas.Alternatively, it is also conceivable that the outlet 14 of the container 15 for the carrier gas is closer to the substrate 11 than the outlet 32 of the process gas. The distance between the outlet 14 and the outlet 32 can in this case be up to ten times the inner diameter 38 of the outer tube 15. The choice of the distance d depends on the process gas and the process conditions. The embodiment of FIG. 2 shows a device 40 in a representation according to FIG. 1, in which several of the devices 10 shown in FIG. 1 are arranged in a row. The exemplary embodiment in FIG. 2 shows four devices 10 arranged in series, each of which generates a plasma jet 13a, 13b, 13c, 13d. The processing width B is thus approximately four times the processing width of the device 10 according to FIG. 1. For reasons of illustration, the main discharge channel 22 and the core zone 29 according to FIG. 1 are not shown in the exemplary embodiment in FIG. 2. The multi-jet plasma source, designated 40 in its entirety in FIG. 2, has an insulating housing 39, to which the outer tubes 15a, 15b, 15c, 15d are fastened in a parallel alignment to one another. The inner tubes 26a, 26b, 26c, 26d are fastened to a fastening plate 43. The fastening plate 43 also provides for an electrical connection of the four inner electrodes 17a, 17b, 17c, 17d to one another, which are connected together to a ground pole 45 and to the voltage supply 27 via the connecting line 28a. The outer electrodes 18a, 18b, 18c, 18d are connected to one another via line sections 44a, 44b, 44c and to the voltage source 27 via a line section 28b. All outer electrodes 18a, 18b, 18c, 18d are thus at the same potential. All internal electrodes 17a, 17b, 17c, 17d are also each at the same potential. A first gas distribution space 41 for the process gas supplies the four inner tubes 26a, 26b, 26c, 26d with process gas via a common process gas inlet opening 46. A second gas distribution space 42 supplies the four containers 15a, 15b, 15c, 15d with carrier gas via a common carrier gas inlet opening 47.
Bei der Beobachtung eines Plasma-Jets 13 und seiner Primärentladung 22 mit bloßem Auge oder mit einer Kamera mit Belichtungszeiten im ms-Bereich gewinnt man den Eindruck, dass es sich um eine räumlich homogene und zeitlich stabile Entladungsart handelt. Dieser Eindruck erweist sich als falsch bei Betrachtung von ICCD- Aufnahmen im Mikrosekunden-Bereich. Die Entladung besteht aus partiellen Entladungen, den Entladungskanälen 22, die sich zwischen der Kante 25a der Innenelektrode und der Innenfläche 48 (Fig. 1) des Außenrohrs 15 radial innerhalb der Außenelektrode 18 ausbilden. Die dielektrische Innenfläche 48 des Außenrohrs 15 hat nur eine bestimmte Aufnahmefähigkeit für die elektrische Ladung. Da diese Ladung auf der Außenrohroberfläche 48 länger als eine Periode der Spannungsversorgung verweilt, findet die nächste Entladung an einem anderen Bereich der inneren Fläche 48 des Außenrohrs 15 statt. Dieser Effekt kann zur gezielten Steuerung der Ausbildung des Hauptkanals 22 der Entladung benutzt werden.When observing a plasma jet 13 and its primary discharge 22 with the naked eye or with a camera with exposure times in the ms range, one gets the impression that the discharge type is spatially homogeneous and stable over time. This impression turns out to be wrong when viewing ICCD recordings in the microsecond range. The discharge consists of partial discharges, the discharge channels 22, which form radially inside the outer electrode 18 between the edge 25a of the inner electrode and the inner surface 48 (FIG. 1) of the outer tube 15. The dielectric inner surface 48 of the outer tube 15 has only a certain capacity for the electrical charge. Since this charge on the Outer tube surface 48 lingers longer than a period of voltage supply, the next discharge takes place in another area of the inner surface 48 of the outer tube 15. This effect can be used for the targeted control of the formation of the main channel 22 of the discharge.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, wird die Beeinflussung des Haupt-Entladungskanals 22 durch die grundsätzliche Geometrie derIn the device 10 according to the invention, the influence of the main discharge channel 22 is influenced by the basic geometry of the
Elektroden 17, 18 erreicht. Anhand der Figuren 3 bis 6 sollen nun verschiedene Ausführungen eines optimierten Elektroden-Designs beispielhaft erläutert werden.Electrodes 17, 18 reached. Various designs of an optimized electrode design will now be explained by way of example with reference to FIGS. 3 to 6.
Fig. 3 zeigt beispielhaft in einer zylindrischen Projektion die geometrische Form der Außenelektrode 18 und der Innenelektrode 17. Zum besseren Verständnis sei angemerkt, dass diese zylindrische Projektion, die man auch als zylindrische Abwicklung oder als Azimuthai- Projektion bezeichnet, die beiden Elektroden 17, 18 in einem aufgeschnittenen, flach liegenden Zustand darstellt. Der Azimuthal-Winkel auf der Koordinate des Diagrammes gibt somit, bezogen auf die Längsmittelachse M der Vorrichtung 10 in Fig. 1, den Umfangswinkel an, wobei auf der Abszisse des Koordinatensystems der Fig. 3 der Axialverlauf der beiden Elektroden 17, 18 dargestellt wird.3 shows an example of the geometric shape of the outer electrode 18 and the inner electrode 17 in a cylindrical projection. For a better understanding, it should be noted that this cylindrical projection, which is also referred to as a cylindrical development or an azimuth shark projection, the two electrodes 17, 18 in a cut, flat lying state. The azimuth angle on the coordinate of the diagram thus indicates the circumferential angle, based on the longitudinal central axis M of the device 10 in FIG. 1, the axial course of the two electrodes 17, 18 being shown on the abscissa of the coordinate system in FIG. 3.
Aus Fig. 3 wird deutlich, dass die Wirkkante 25a der inneren Elektrode 17 und die Wirkkante 25b der äußeren Elektrode 18 von einer Kreisform abweicht. Es sind hingegen Vorsprünge 49a, 49b, 49c, 49d in den beiden Elektroden 17, 18 vorgesehen, die zu einer Wirkkante 25a, 25b der Elektroden 17, 18 führen, die genau definierte, kürzeste Verbindungslinien 21a und 21b aufweist. Die Elektrodengeometrie der Fig. 3 ergibt zwei exakt gleichlange kürzeste Verbindungslinien, nämlich die Verbindungslinien 21a und 21b zwischen den Vorsprüngen 49a und 49c bzw. zwischen den Vorsprüngen 49b und 49d.3 that the active edge 25a of the inner electrode 17 and the active edge 25b of the outer electrode 18 deviate from a circular shape. By contrast, projections 49a, 49b, 49c, 49d are provided in the two electrodes 17, 18, which lead to an active edge 25a, 25b of the electrodes 17, 18, which has precisely defined, shortest connecting lines 21a and 21b. 3 results in two shortest connecting lines of exactly the same length, namely the Connection lines 21a and 21b between the protrusions 49a and 49c and between the protrusions 49b and 49d, respectively.
Der Fig. 3 entnimmt man des Weiteren, dass die Vorsprünge 49a, 49b der ersten Elektrode 17 zu den Vorsprüngen 49c, 49d der zweiten3 furthermore shows that the projections 49a, 49b of the first electrode 17 to the projections 49c, 49d of the second
Elektrode 18 umfangsversetzt sind. Dementsprechend ist die kürzesteElectrode 18 are offset circumferentially. Accordingly, the shortest
Verbindungslinie 21a, 21b auch in der Darstellung der Fig. 3 nicht parallel zu der Strömungsrichtung x des Trägergases ausgebildet, sondern verläuft schräg zu dieser unter einem spitzen Winkel. Die kürzeste Verbindungslinie 21a, 21b darf man sich darüber hinaus nicht entlang einer Geraden verlaufend vorstellen, sondern unter der Berücksichtigung der geometrischen Anordnung von Innenrohr 26 und Außenrohr 15 derart, dass die kürzeste Verbindungslinie 21a, 21b ein Abschnitt einer Wendel ist. Die kürzeste Verbindungslinie 21a, 21b ist somit gekrümmt, da sie per Definition das Innenrohr 26 nicht schneiden kann.Connecting line 21a, 21b, also in the illustration in FIG. 3, is not formed parallel to the flow direction x of the carrier gas, but extends obliquely to it at an acute angle. Furthermore, the shortest connecting line 21a, 21b should not be imagined to run along a straight line, but taking into account the geometrical arrangement of inner tube 26 and outer tube 15 such that the shortest connecting line 21a, 21b is a section of a helix. The shortest connecting line 21a, 21b is thus curved since, by definition, it cannot cut the inner tube 26.
Die Anordnung der Vorsprünge 49a, 49b, 49c, 49d führt zur Ausbildung eines zur Gasflussrichtung x schräg verlaufenden Haupt- Entladungskanals 22, der der kürzesten Verbindungslinie 21a, 21b im Wesentlichen angenähert ist.The arrangement of the projections 49a, 49b, 49c, 49d leads to the formation of a main discharge channel 22 which runs obliquely to the gas flow direction x and which is substantially approximated to the shortest connecting line 21a, 21b.
Im Fall von kreisförmigen parallelen Elektrodenkanten 25a, 25b, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind, bilden sich Haupt-Entladungskanäle 22, die in einer Darstellung gemäß Fig. 3 parallel zum Gasfluss x und unter Umständen nur in einem schmalen Bereich der azimuthalen Lage auftreten. Demzufolge kann das meiste Trägergas durch die Zone der Primärenentladung 22 hindurchfließen, ohne mit den Haupt- Entladungskanälen 22 zu wechselwirken. Durch die Begünstigung der Entstehung von mehr als einem Haupt-Entladungskanal 22 und durch seine von der Parallelität zur Hauptachsenrichtung x abweichende Lage, wird das Volumen, in dem die Wechselwirkung zwischen dem Trägergas und dem Haupt-Entladungskanal 22 stattfindet, wesentlich vergrößert. Dadurch entstehen die metastabil angeregten Spezies in einer viel größeren Menge und in einem viel größeren Volumen. Dies führt zur Ausbildung eines längeren und intensiveren Plasma-Jet.In the case of circular parallel electrode edges 25a, 25b, which are not shown in FIG. 3, main discharge channels 22 form which, in a representation according to FIG. 3, occur parallel to the gas flow x and under certain circumstances only in a narrow region of the azimuthal position , As a result, most carrier gas can flow through the zone of the primary discharge 22 without interacting with the main discharge channels 22. By favoring the formation of more than one main discharge channel 22 and by its position deviating from the parallelism to the main axis direction x, the volume in which the interaction between the carrier gas and the main discharge channel 22 takes place is substantially increased. This creates the metastably excited species in a much larger amount and in a much larger volume. This leads to the formation of a longer and more intense plasma jet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bilden sich demgemäß3 are formed accordingly
Hauptentladungskanäle 22, die im Wesentlichen an die kürzestenMain discharge channels 22, which are essentially the shortest
Verbindungslinien 21a, 21b angenähert sind. Auch die Hauptentladungskanäle 22 verlaufen somit entlang einem Abschnitt einerConnecting lines 21a, 21b are approximated. The main discharge channels 22 thus also run along a section of one
Wendel.Wendel.
Die Zahl von Vorsprüngen 49a, 49b, 49c, 49d an den beiden Elektroden 17, 18 ist lediglich beispielhaft zu verstehen und abhängig von der Art der Anwendung der Vorrichtung 10.The number of projections 49a, 49b, 49c, 49d on the two electrodes 17, 18 is only to be understood as an example and depends on the type of application of the device 10.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung in einer Darstellung gemäß Fig. 3. Aus Fig. 4 wird deutlich, dass die Außenelektrode 18 zwei spiralartige Arme 50a und 50b aufweist. Die beiden Elektrodenarme 50a, 50b sind nach Art von langgestreckten Vorsprüngen ausgebildet und erstrecken sich wendeiförmig um das in Fig. 4 nicht dargestellte Innenrohr 26 gemäß Fig. 1 herum. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass die Elektrodenanordnungen gemäß den Figuren 3 bis 6 sämtlich anwendbar sind bei Vorrichtungen gemäß Fig. 1.FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a representation according to FIG. 3. It is clear from FIG. 4 that the outer electrode 18 has two spiral arms 50a and 50b. The two electrode arms 50a, 50b are designed in the manner of elongated projections and extend helically around the inner tube 26 according to FIG. 1, not shown in FIG. 4. In this connection, it should be noted that the electrode arrangements according to FIGS. 3 to 6 can all be used in devices according to FIG. 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden 17, 18, die Strecke zwischen dem freien Ende 51 eines Spiralarmes 50a, 50b und der Wirkkante 25a der Elektrode 17. Da der radiale Abstand zwischen der inneren Elektrode 17 und der äußeren Elektrode 18 konstant ist, und da ein Hauptentladungskanal 22 sich nicht durch die dielektrische Barriere der Wandung des Behältnisses 15 hindurch entwickeln kann, sondern ausschließlich in dem vom Trägergas durchflossenen Bereich gebildet wird, führt die Elektrodengeometrie gemäß Fig. 4 zu einem aus zwei Abschnitten 22'b und 22"b zusammengesetzten Hauptentladungskanal 22b, der abgeknickt ist. Gleichermaßen setzt sich der Hauptentladungskanal 22a aus einem ersten Kanalabschnitt 22'a und einem dazu abgewinkelten zweiten Kanalabschnitt 22"a zusammen.In the embodiment of FIG. 4, the shortest connecting line between the two electrodes 17, 18 is the distance between the free end 51 of a spiral arm 50a, 50b and Effective edge 25a of the electrode 17. Since the radial distance between the inner electrode 17 and the outer electrode 18 is constant, and since a main discharge channel 22 cannot develop through the dielectric barrier of the wall of the container 15, but only in that through which the carrier gas flows 4 leads to a main discharge channel 22b which is composed of two sections 22'b and 22 "b and which is bent. Likewise, the main discharge channel 22a is composed of a first channel section 22'a and a second channel section angled to it 22 "a together.
Der Gesamtentladungskanal 22a (bzw. 22b) ist im Wesentlichen wendelartig ausgebildet, also gekrümmt, und verläuft um das Innenrohr 26 gemäß Fig. 1 herum.The total discharge channel 22a (or 22b) is essentially helical, that is curved, and extends around the inner tube 26 according to FIG. 1.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, bei der die Außenelektrode 18 fünf Elektrodensegmente 52a, 52b, 52c, 52d, 52e aufweist. Die Elektrodensegmente 52a, 52b, 52c, 52d, 52e sind miteinander elektrisch nicht verbunden. Das Elektrodensegment 52a ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und ist mit der in Fig. 5 nicht dargestellten Spannungsquelle 27 verbunden. Ein Elektrodensegment 52b und ein Elektrodensegment 52c sind in Reihe, umfangsversetzt zueinander angeordnet. Ein weiteres Elektrodensegment 52d und ein weiteres Elektrodensegment 52e sind ebenfalls umfangsversetzt angeordnet.5 shows a further exemplary embodiment of an electrode arrangement according to the invention, in which the outer electrode 18 has five electrode segments 52a, 52b, 52c, 52d, 52e. The electrode segments 52a, 52b, 52c, 52d, 52e are not electrically connected to one another. The electrode segment 52a is essentially ring-shaped and is connected to the voltage source 27, not shown in FIG. 5. An electrode segment 52b and an electrode segment 52c are arranged in series, circumferentially offset from one another. A further electrode segment 52d and a further electrode segment 52e are likewise arranged offset in circumference.
Durch Anlegen einer Spannung an das Elektrodensegment 52a werden in den Elektrodensegmenten 52b und 52d Spannungen induziert. Dadurch werden in den Elektrodensegmenten 52c und 52e ebenfalls Spannungen induziert.By applying a voltage to the electrode segment 52a, voltages are induced in the electrode segments 52b and 52d. This also induces voltages in the electrode segments 52c and 52e.
Die Wirkkante 25a und die Wirkkante 25b der zweiten Elektrode 18 sind unmittelbar über nicht dargestellte kürzeste Verbindungslinien miteinander verbunden, die zu den beiden Wirkkanten 25a und 25b imThe active edge 25a and the active edge 25b of the second electrode 18 are directly connected to one another via shortest connecting lines, not shown, which lead to the two active edges 25a and 25b in FIG
Wesentlichen senkrecht stehen. Die Anordnung der ElektrodensegmenteStand essentially vertically. The arrangement of the electrode segments
52b, 52c, 52d, 52e führt jedoch dazu, dass das an der Wirkkante 25a der ersten Elektrode 17 anliegende Potential ein an den Elektrodensegmenten 52c und 52d anliegendes Potential „sieht". Gleichermaßen „sieht" das an den Elektrodensegmenten 52c und 52e anliegende Potential das an den benachbarten Elektrodensegmenten 52b und 52d anliegende Potential.52b, 52c, 52d, 52e, however, leads to the fact that the potential applied to the active edge 25a of the first electrode 17 "sees" a potential applied to the electrode segments 52c and 52d. Likewise, the potential applied to the electrode segments 52c and 52e "sees" that potentials applied to the adjacent electrode segments 52b and 52d.
Insgesamt bilden sich wiederum Hauptentladungskanäle 22a und 22b, die sich aus Hauptentladungsteilstrecken 22"b und 22'b beziehungsweise 22"a und 22'a zusammensetzen.Overall, main discharge channels 22a and 22b are again formed, which are composed of main discharge sections 22 "b and 22'b or 22" a and 22'a.
Die Kanalteilstrecken 22'b und 22"b beziehungsweise 22'a und 22"a sind zueinander winklig angeordnet. Die sich insgesamt aufgrund der Elektrodengeometrie ergebenden Hauptentladungskanäle 22a und 22b sind wiederum im Wesentlichen wendeiförmig ausgebildet.The duct sections 22'b and 22 "b or 22'a and 22" a are arranged at an angle to one another. The main discharge channels 22a and 22b resulting overall from the electrode geometry are again essentially helical.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist die Außenelektrode 18 insgesamt im Wesentlichen wendeiförmig, also schraubenlinienförmig ausgebildet. Dies führt zu mehreren Hauptentladungskanälen 22a, 22b, 22c.In a further exemplary embodiment according to FIG. 6, the outer electrode 18 is generally substantially helical, that is to say helical. This leads to several main discharge channels 22a, 22b, 22c.
Mit 22a ist dabei der kürzest-mögliche Hauptentladungskanal bezeichnet, mit 22b der sich azimuthal in dem koaxialen Raum der Primärentladung 23 bewegende Hauptentladungskanal und mit dem Bezugszeichen 22c der längste mögliche Hauptentladungskanal. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 6 dargestellt und beschrieben sind mit kreiszylindrischen Außenrohren 15 und Innenrohren 26 und mit ringförmigen beziehungsweise hülsenförmigen Elektroden 17 und 18. In den Ausführungsbeispielen wird ein Plasma-Jet 13 am Auslass 14 des Außenrohres 15 und am Auslass 32 des Innenrohres 26 gebildet. Das durch das Innenrohr 26 strömende Prozessgas ist bei bestimmten Bearbeitungsarten des Substrates erforderlich. Von der Erfindung umfasst sind jedoch auch solche Vorrichtungen, bei denen ein Plasma-Jet 13 erzeugt wird, ohne dass ein Prozessgas zusätzlich zugeführt wird.The shortest possible main discharge channel is designated with 22a, with 22b the main discharge channel moving azimuthally in the coaxial space of the primary discharge 23 and with the reference symbol 22c the longest possible main discharge channel. It should be pointed out that the exemplary embodiments in FIGS. 1 to 6 are shown and described with circular-cylindrical outer tubes 15 and inner tubes 26 and with annular or sleeve-shaped electrodes 17 and 18. In the exemplary embodiments, a plasma jet 13 is located at the outlet 14 of the outer tube 15 and formed at the outlet 32 of the inner tube 26. The process gas flowing through the inner tube 26 is required for certain types of processing of the substrate. However, the invention also includes devices in which a plasma jet 13 is generated without a process gas being additionally supplied.
Die im wesentlichen rotationssymmetrische Ausbildung der Rohre 15, 26 und der Elektroden 17, 18 ist vorteilhaft, jedoch nicht unbedingt erforderlich. Vorsprünge 49a, 49b, 49c, 49d oder spiralförmige oder wendeiförmige Arme 50a, 50d können gleichermaßen auch bei Vorrichtungen, wie sie in den Figuren 7 und 8 skizziert sind, vorgesehen werden.The essentially rotationally symmetrical design of the tubes 15, 26 and the electrodes 17, 18 is advantageous, but not absolutely necessary. Protrusions 49a, 49b, 49c, 49d or spiral or helical arms 50a, 50d can equally be provided in devices such as those outlined in FIGS. 7 and 8.
Der Abstand L zwischen den beiden Elektroden 17, 18 wird vorteilhafterweise derart angepasst, dass die Ausbildung von axial langgestreckten und intensiven Hauptentladungskanälen 22 bewirkt beziehungsweise begünstigt wird. Von besonderer Bedeutung ist dabei, wenn die Entladungskanäle 22 zumindest eine Richtungskomponente aufweisen, die quer zur Gasströmungsrichtung x ausgerichtet ist.The distance L between the two electrodes 17, 18 is advantageously adapted in such a way that the formation of axially elongated and intensive main discharge channels 22 is effected or promoted. It is particularly important if the discharge channels 22 have at least one directional component that is oriented transversely to the gas flow direction x.
Vorteilhafterweise ist die Innenelektrode 17 bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 6 geerdet. Auch dies ist jedoch nicht erforderlich. Alternativ kann auch ein Segment der Außenelektrode, bei einer segmentierten Außenelektrode 18 insbesondere das von der Innenelektrode 17 am weitesten entfernte Segment 52a, geerdet sein. Schließlich ist es auch möglich, dass keine der beiden Elektroden 17, 18 geerdet ist, sondern das Massepotential zwischen den beiden Elektrodenpotentialen liegt.In the exemplary embodiments in FIGS. 1 to 6, the inner electrode 17 is advantageously grounded. However, this is also not necessary. Alternatively, a segment of the outer electrode, in the case of a segmented outer electrode 18 in particular the segment 52a furthest away from the inner electrode 17, can also be grounded. Finally, it is also possible for neither of the two electrodes 17, 18 is grounded, but the ground potential lies between the two electrode potentials.
Hervorzuheben ist, dass bei sämtlichen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 beide Elektroden 10, 11 , dem Behältnis 15 bzw. den Behältnissen 15, 26 zugeordnet sind. Das Substrat 11 befindet sich in einem Prozessraum, in den hinein die Plasma-Jets 13 aus der Vorrichtung 10 heraus extrahiert werden. Der Prozessraum befindet sich somit außerhalb der die Elektroden 17, 18 aufweisenden Vorrichtung 10. It should be emphasized that in all the exemplary embodiments of the device 10 according to the invention, both electrodes 10, 11, the container 15 and the containers 15, 26 are assigned. The substrate 11 is located in a process space into which the plasma jets 13 are extracted from the device 10. The process space is thus located outside the device 10 having the electrodes 17, 18.

Claims

A n s p r ü c h e Expectations
1. Vorrichtung (10) zur Bearbeitung eines Substrates (11) mittels mindestens eines Plasma-Jets (13), umfassend ein Behältnis (15), durch welches ein Trägergas entlang einer Strömungsrichtung (x) hindurchströmt, und umfassend eine erste Elektrode (17) und eine zweite Elektrode (18), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (17, 18) durch wenigstens eine dielektrische Barriere (15) voneinander getrennt sind, dass zwischen den Elektroden (17, 18) zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Glimmentladungs-Plasmas eine Wechselspannung angelegt wird, und dass die erste Elektrode (17) von der zweiten Elektrode (18) bezogen auf die Strömungsrichtung (x) des Trägergases axial (L) und radial (R) beabstandet ist. 1. Device (10) for processing a substrate (11) by means of at least one plasma jet (13), comprising a container (15) through which a carrier gas flows along a flow direction (x), and comprising a first electrode (17) and a second electrode (18), characterized in that the two electrodes (17, 18) are separated from one another by at least one dielectric barrier (15), that between the electrodes (17, 18) for generating an atmospheric pressure glow discharge plasma AC voltage is applied, and that the first electrode (17) from the second electrode (18) with respect to the flow direction (x) of the carrier gas is spaced axially (L) and radially (R).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das2. Device according to claim 1, characterized in that the
Behältnis (15) von einem zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Rohr gebildet ist.Container (15) is formed by a cylindrical, in particular circular cylindrical, tube.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (15) aus einem dielektrischen Material besteht, insbesondere aus einer oxidischen oder nitridischen Keramik oder aus Glas.3. Device according to claim 2, characterized in that the tube (15) consists of a dielectric material, in particular of an oxide or nitride ceramic or glass.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (15) einen Innendurchmesser (38) zwischen 1 und 10 mm aufweist.4. The device according to claim 2 or 3, characterized in that the tube (15) has an inner diameter (38) between 1 and 10 mm.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas Helium ist. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier gas is helium.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Behältnisses (15) ein zweites (inneres) Behältnis (26) für ein Prozessgas angeordnet ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a second (inner) container (26) for a process gas is arranged within the container (15).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Querschnittes des von Trägergas durchflossenen Bereiches des Behältnisses (15) zu dem Querschnitt des inneren Behältnis (26) im Wesentlichen gleich dem Verhältnis des Flusses an Trägergas zu dem Fluss an Prozessgas ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the ratio of the cross section of the area of the container (15) through which carrier gas flows to the cross section of the inner container (26) is substantially equal to the ratio of the flow of carrier gas to the flow of process gas.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasfluss zwischen 0,1 und 5 % der Trägergasflusses beträgt. 8. The device according to claim 6 or 7, characterized in that the process gas flow is between 0.1 and 5% of the carrier gas flow.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein molekulares Gas oder ein Gasgemisch aus molekularen Gasen ist.9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the process gas is a molecular gas or a gas mixture of molecular gases.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung (x) des Prozessgases im wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung (y) des Trägergases ist.10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the flow direction (x) of the process gas is substantially parallel to the flow direction (y) of the carrier gas.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Behältnis (26) von einem zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Rohr (Innenrohr) gebildet ist.11. Device according to one of claims 6 to 10, characterized in that the inner container (26) is formed by a cylindrical, in particular circular cylindrical, tube (inner tube).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr einen Innendurchmesser zwischen 0,1 und 5 mm aufweist. 12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the inner tube has an inner diameter between 0.1 and 5 mm.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Behältnis (26) konzentrisch zu dem (äußeren) Behältnis (15) angeordnet ist. 13. Device according to one of claims 6 to 12, characterized in that the inner container (26) is arranged concentrically to the (outer) container (15).
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Behältnis (26) aus einem dielektrischen Material besteht, insbesondere aus einer oxidischen oder nitridischen Keramik oder aus Glas. 14. Device according to one of claims 6 to 13, characterized in that the inner container (26) consists of a dielectric material, in particular an oxide or nitride ceramic or glass.
15. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (17, 18) im wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet ist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one electrode (17, 18) is substantially annular or sleeve-shaped.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (17, 18) im wesentlichen ringförmig oder hülsenartig ausgebildet sind.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that both electrodes (17, 18) are substantially annular or sleeve-like.
17. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (17) eine der anderen Elektrode (18) zugewandte Wirkkante (25a, 25b) aufweist, die von einer Kreisform abweicht.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one electrode (17) has an active edge (25a, 25b) facing the other electrode (18) which deviates from a circular shape.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkkante (25a, 25b) einer Elektrode (17, 18) wenigstens einen zu der anderen Elektrode (18, 17) hin gerichteten Vorsprung (49a, 49b, 49c, 49d) umfasst.18. The device according to claim 17, characterized in that the active edge (25a, 25b) of an electrode (17, 18) comprises at least one projection (49a, 49b, 49c, 49d) directed towards the other electrode (18, 17).
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkkante (25a, 25b) einer Elektrode (17, 18) mehrere zu der anderen Elektrode (18, 17) hin gerichtete Vorsprünge (49a, 49b, 49c, 49d) umfasst. 19. The device according to claim 17 or 18, characterized in that the active edge (25a, 25b) of an electrode (17, 18) comprises a plurality of projections (49a, 49b, 49c, 49d) directed towards the other electrode (18, 17) ,
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkkanten (25a, 25b) beider Elektroden (17, 18) aufeinander zu gerichtete Vorsprünge (49a, 49b, 49c, 49d) umfassen.20. Device according to one of claims 17 to 19, characterized in that the active edges (25a, 25b) of both electrodes (17, 18) comprise projections (49a, 49b, 49c, 49d) directed towards one another.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung von einem freien Ende (51) eines wendeiförmigen Elektrodenarmes (50a, 50b) bereitgestellt ist. 21. Device according to one of claims 18 to 20, characterized in that a projection from a free end (51) of a helical electrode arm (50a, 50b) is provided.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeste Verbindungslinie (21, 21a, 21b) zwischen den beiden Wirkkanten (25a, 25b) der beiden Elektroden (17, 18) eine Richtungskomponente quer zur Strömungsrichtung (x) des Trägergases aufweist.22. Device according to one of claims 17 to 21, characterized in that the shortest connecting line (21, 21a, 21b) between the two active edges (25a, 25b) of the two electrodes (17, 18) has a directional component transverse to the flow direction (x) of the carrier gas.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeste Verbindungslinie (21 , 21a, 21b) zwischen zwei Wirkkanten (25a, 26b) gekrümmt ist. 23. The device according to one of claims 17 to 22, characterized in that the shortest connecting line (21, 21a, 21b) between two active edges (25a, 26b) is curved.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeste Verbindungslinie (21 , 21a, 21b) zwischen zwei Wirkkanten (25a, 25b) im Wesentlichen wendeiförmig ausgebildet ist oder einen Wendelabschnitt umfasst. 24. Device according to one of claims 17 to 23, characterized in that the shortest connecting line (21, 21a, 21b) between two active edges (25a, 25b) is substantially helical or comprises a helical section.
25. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (18) segmentiert ist.25. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one electrode (18) is segmented.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, soweit dieser auf einen der Ansprüche 17 bis 24 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Elektrodensegment (52b, 52c, 52d, 52e) zusammen mit den beiden Elektroden (52a, 17) eine insgesamt im wesentlichen gekrümmte kürzeste Verbindungslinie (21a, 21b) zwischen den beiden Wirkkanten (25a, 25b) bereitstellt.26. The device according to claim 25, insofar as it relates to one of claims 17 to 24, characterized in that at least one electrode segment (52b, 52c, 52d, 52e) together with the two electrodes (52a, 17) essentially one overall provides the shortest curved connecting line (21a, 21b) between the two active edges (25a, 25b).
27. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (17) stromaufwärts und die zweite Elektrode (18) stromabwärts, bezogen auf die Strömungsrichtung (x) des Trägergases, angeordnet sind.27. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (17) upstream and the second electrode (18) downstream, based on the flow direction (x) of the carrier gas, are arranged.
28. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (17) innerhalb des Innenraumes28. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (17) within the interior
(24) des (äußeren) Behältnisses (15) angeordnet ist.(24) of the (outer) container (15) is arranged.
29. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (17) auf einer Außenmantelfläche (33) des inneren Behältnisses (26) angeordnet ist.29. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (17) is arranged on an outer circumferential surface (33) of the inner container (26).
30. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (17) mit ihrer elektrisch leitenden, insbesondere metallischen, Außenmantelfläche (19) dem Trägergas zugewandt ist.30. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (17) with its electrically conductive, in particular metallic, outer surface (19) faces the carrier gas.
31. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (18) auf einer Außenmantelfläche (34) des (äußeren) Behältnisses (15) angeordnet ist.31. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrode (18) is arranged on an outer lateral surface (34) of the (outer) container (15).
32. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (17, 18) galvanisch oder durch Aufdampfen oder durch Zerstäubung aufgebracht sind. 32. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (17, 18) are applied galvanically or by vapor deposition or by atomization.
33. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (18) auf ihrer Außenmantelfläche (35) von einer Isolierumhüllung (20, 20a) umgeben ist. 33. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrode (18) on its outer lateral surface (35) is surrounded by an insulating sheath (20, 20a).
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierumhüllung (20, 20a) von einer Schicht aus Oxidkeramik oder aus Glas oder aus einem Polymer mit niedrigen dielektrischen Verlusten gebildet ist. 34. Device according to claim 33, characterized in that the insulating sheath (20, 20a) is formed by a layer of oxide ceramic or of glass or of a polymer with low dielectric losses.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierumhüllung (20, 20a) eine Dicke zwischen einigen 10 μm und einigen mm aufweist.35. Apparatus according to claim 33 or 34, characterized in that the insulating sheath (20, 20a) has a thickness between a few 10 microns and a few mm.
36. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des (äußeren) Behältnisses (15) die dielektrische Barriere zwischen den beiden Elektroden (17, 18) bereitstellt.36. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a wall of the (outer) container (15) provides the dielectric barrier between the two electrodes (17, 18).
37. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, mittels der zur Änderung der Jetlänge (I) die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (17, 18) änderbar ist.37. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a controller is provided, by means of which the potential difference between the electrodes (17, 18) can be changed in order to change the jet length (I).
38. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Wechselspannung eine Frequenz zwischen 1 und 30 kHz aufweist.38. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the applied AC voltage has a frequency between 1 and 30 kHz.
39. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Wechselspannung eine Spannung in einem Bereich zwischen 100 V und 10 KV aufweist. 39. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the applied AC voltage has a voltage in a range between 100 V and 10 KV.
40. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck der Vorrichtung zwischen 50 mbar und 10 Bar beträgt. 40. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the operating pressure of the device is between 50 mbar and 10 bar.
41. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit wenigstens einer weiteren Vorrichtung (10) zu einer Multi-Jet-Plasmaquelle (40), insbesondere nach Art einer Reihenanordnung, zusammengefasst ist. 41. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is combined with at least one further device (10) to form a multi-jet plasma source (40), in particular in the manner of a row arrangement.
42. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit wenigstens zwei weiteren Vorrichtungen (10) zu einer, insbesondere aus mehreren Reihenanordnungen (40) bestehenden, rasterartigen Anordnung zusammengefasst ist. 42. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is combined with at least two further devices (10) to form a grid-like arrangement, in particular consisting of several row arrangements (40).
43. Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorrichtungen (10) eine gemeinsame Trägergaszuführung (47) und/oder eine gemeinsame Prozessgaszuführung (46) aufweisen. 43. Device according to claim 41 or 42, characterized in that several devices (10) have a common carrier gas supply (47) and / or a common process gas supply (46).
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