JP5871789B2 - 束縛されたプラズマビームを生成させるための方法及びビーム発生器 - Google Patents
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Description
ヨーロッパ特許第0 761 415号明細書及びドイツ連邦共和国特許第195 32 412号明細書から、束縛されたプラズマビームを生成させるためのこのような種類のビーム発生器が公知である。このビーム発生器は、ワーキングガス用の供給部を側面に有する合成樹脂製の深なべ形のハウジングを備える。セラミック製のノズル管が、この深なべ形のハウジング内に同軸に保持されている。銅製のピン電極が、この深なべ形のハウジング内の中心に配置されている。このピン電極は、ノズル管内に突出している。このノズル管の外周が、深なべ形のハウジングの外側で電気伝導性の材料から成る被筒によって包囲されている。この被筒は、ノズル管の自由端部に沿って環状電極を形成する。この環状電極は、同時にノズル口を画定する。このノズル口の直径は、当該ノズル管の内径より小さい。その結果、確実な束縛が、ノズル管の流出口で達成される。
プラズマ発生器によってプラズマを生成して対象物を処理するための方法が、米国特許第6 225 743号明細書から公知である。この方法の場合、アークが、陽極と陰極との間で点弧され、ガスが、このアークによって電離される。この場合、このアークは、電圧パルスによって放出される。陽極−陰極間に印加されている電圧が、電圧パルス間の中断中にアークのアーク降下電圧下で低下する。その結果、アークが、この中断中に消弧する。当該プラズマインパルスは、非常に高い温度を有するものの、比較的敏感な材料も破損することなしに、当該プラズマインパルスに耐えなければならない。
同時にワーキングガスの均質な流れを維持するコンパクトな構造の当該ビーム発生器は、一方の電極がピン電極として形成されていて、他方の電極が環状電極として形成されていて、前記ピン電極に対して絶縁された電気伝導性材料から成る被筒が、このピン電極に対して同心円状に配置されていて、前記環状電極が、前記被筒の一方の前面に配置されていて、この環状電極は、ノズル口を画定し、このノズル口の直径は、中空シリンダ状の前記被筒の直径より小さく、前記ワーキングガス用の供給部が、前記被筒の対向する前面に配置されていることによって実現される。
本発明のビーム発生器は、プラズマビームを使用して基板面を活性化してコーティングするために使用することができる。何故なら、特に10nm〜100μmの粒子径を有する粉末を供給するための少なくとも1つの流入口が、ノズル口の領域内に配置されているからである。プラズマビームの電子が、供給された粉末粒子をスパッタし、プラズマの依然として比較的高い温度で、特に高い温度の電子でこれらの粉末粒子を溶融する。当該溶融のためのエネルギー消費と、ノズル口までのプラズマの延在している流路上のエネルギー消費とによって、プラズマが冷却される。その結果、基板面のコーティングを形成する細粒状の粉末が、当該基板面上に比較的冷えて到達する。それ故に、本発明のビーム発生器は、特に温度に敏感な基板面の粉末コーティング法に対しても適している。
当該電圧源の好適な実施の形態は、この電圧源が、出力電圧用の1つのプラグと電源内で変圧された電圧用の2つの出力部とを有する当該電源を備えることを特徴とする。この場合、少なくとも1つのコンデンサが、これらの出力部に対して並列に接続されている。このコンデンサは、少なくとも1つの抵抗を介して当該電源に接続されている。この場合、選択的に、これらの出力部のうちの1つの出力部が、接地電位に接続され得、当該共通のアースが、基準電位及びコンデンサ用の接続部として使用され得る。この場合、当該電源は、配電網によって給電された入力電圧をビーム発生器に必要となる出力電圧に変換する構成要素である。
本発明のビーム発生器のコンパクトな構造及び効率のさらなる向上の関係で、電圧源の電源は、特にスイッチング電源装置として構成されている。このスイッチング電源装置は、50Hz用の変圧器又は60Hz用の変圧器を有する従来の電源と違って、配電電圧が、遥かにより高い周波数の交流電圧に変換され、変圧器の後方で最後に再び整流される点で優れている。変圧器が、より高い周波数で動作する結果、同じ出力の場合に、変圧器の質量が明らかに低減され得る。その結果、同じ出力の場合に、スイッチング電源装置が、よりコンパクトで且つより軽い。さらに、当該スイッチング電源装置の効率が、従来の電源より高い。
図4は、電圧/時間グラフ中の左半分の図中に電圧インパルス(21)の経時変化を示し、当該図の下に図示された電流/時間グラフ中に本発明のビーム発生器(1)のプラズマの中で生じる電流の経時変化を示す。
点弧電圧(19)に達すると共に、最大電流(20)が、電極(4,5)間のアークの中で流れる。当該アークを維持するため、不足分の電流(電荷)が、スイッチング電源装置(9)から抵抗(14)を通じて持続して流れる。このため、電極(4,5)間のアークを通じて同時に流出するより少ない電力が、当該スイッチング電源装置からコンデンサ(13)に流れるように、抵抗(14)が仕様決定されている。この抵抗(14)の当該仕様決定の結果、アークが、次の電圧インパルス(21)の点弧電圧(19)の到達によって再び点弧される前に、アークが、前後して続く2つの電圧インパルス間ごとに消弧する。当該パルス周波数は、特に1kHz〜100kHzの範囲内にあり、図示された実施の形態では60kHzである。
2 プラズマビーム
3 ワーキングガス
4 電極
5 電極
6 電圧源
7 被筒
8 距離、空隙
9 スイッチング電源装置
10 プラグ
11 出力部
12 出力部
13 コンデンサ
14 抵抗
15 整流器
16 逆変換器
17 変圧器
18 整流器
19 点弧電圧
20 最大電流
21 電圧インパルス
22 ピン電極
23 環状電極
24 供給部
25 シース
26 ウェブ
27 内壁
28 表面
29 電線
30 絶縁体
31 部分長
32 遮蔽体
33 外側の絶縁体
34 コンデンサ
35 基板面
36 円錐形部材
37 流入口
38 導管
39 粉末流/ガス流
40 粉末粒子
41 ノズル口
42 方向
43 沈着層
Claims (13)
- 流れるワーキングガス(3)を供給しながらアーク放電によって束縛された非熱プラズマビームを生成させるための、前記ワーキングガス(3)の流れの中で互いに距離(8)をあけて配置された2つの電極(22,23)及びこれらの2つの電極(22,23)間に電圧を発生させる電圧源(6)を有するビーム発生器(1)であって、1つの電極が、ピン電極(22)として形成されていて、前記電圧源(6)は、アーク放電のための点弧電圧(19)とパルス周波数とを有する電圧パルスを生成し、この電圧パルスは、前後して続く2つの電圧インパルス(21)間ごとにアークを消弧することができる当該ビーム発生器において、
前記ピン電極(22)に対して絶縁された電気伝導性材料から成る被筒(7)が、このピン電極(22)に対して同心円状に配置されていて、
前記環状電極(23)が、前記被筒(7)の一方の前面に配置されていて、この環状電極(23)は、ノズル口(41)を画定し、このノズル口(41)の直径は、中空シリンダ状の前記被筒(7)の直径より小さく、
前記ワーキングガス(3)用の供給部(24)が、前記被筒(7)の対向する前面に配置されていて、
粉末を供給するための少なくとも1つの流入口(37)が、前記ノズル口(41)の領域内に配置されていることを特徴とするビーム発生器。 - 前記パルス周波数は、10kHz〜100kHzの範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載のビーム発生器。
- 前記パルス周波数は、20kHz〜70kHzの範囲内にあることを特徴とする請求項2に記載のビーム発生器。
- 前記点弧電圧(19)に達した後に、10アンペア〜1000アンペアの程度の最大の電流の強さ(20)を有する電流が、1ナノ秒〜1000ナノ秒の期間に両前記電極(4,5)間で流れることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のビーム発生器。
- 前記点弧電圧(19)は、1kV〜10kVであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のビーム発生器。
- 前記電圧源(6)は、入力電圧用のプラグ(10)及び電源内で変換された前記入力電圧用の2つの出力部(11,12)を有する前記電源を備え、少なくとも1つのコンデンサ(13)が、これらの出力部に対して並列に接続されていて、このコンデンサ(13)は、少なくとも1つの抵抗(14)を介して前記電源に接続されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のビーム発生器。
- 前記電源は、スイッチング電源装置(9)であることを特徴とする請求項6に記載のビーム発生器。
- 前記電極(22,23)を前記電源(9)に接続する電線(29)のうちの1つの電線が、絶縁体(30)によって包囲され、電気伝導性の遮蔽体(32)が、少なくとも部分長(31)上で前記絶縁体(30)を包囲し、前記遮蔽体(32)は、前記電源(9)と別の前記電極(23)との間の電気伝導性の別の接続部分の構成要素であり、外側の絶縁体(33)が、前記遮蔽体(32)を包囲することを特徴とする請求項6又は7に記載のビーム発生器。
- 前記コンデンサ(13,29,30,32)の容量は、10nF〜200μFの範囲内にあることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載のビーム発生器。
- 前記ワーキングガス(3)用の前記供給部(24)は、前記ワーキングガスの渦流を発生させるための手段を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のビーム発生器。
- 前記ワーキングガス(3)の渦流を発生させるための前記手段は、中空シリンダ状の前記被筒(7)の前面に差し込まれて前記ピン電極(22)を保持する電気絶縁性の材料から成るシース(25)を有し、螺旋形部材として形成された少なくとも1つのウェブ(26)が、前記シース(25)の表面に沿って配置されていて、前記ウェブ(26)は、中空シリンダ状の前記被筒(7)の内壁(27)と前記シース(25)の表面(28)との間に前記ワーキングガス(3)用の流路を形成することを特徴とする請求項10に記載のビーム発生器。
- 前記被筒(7)は、その先端部に前記環状電極(23)の方向に先細りしている円錐形部材(36)を有し、各流入口(37)が、この円錐形部材(36)内に配置されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のビーム発生器。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の束縛されたプラズマビームを生成させるためのビーム発生器によって基板面を活性化してコーティングする方法において、
10nm〜100μmの粒子径を有する粉末が、少なくとも1つの流入口(37)を通じて供給されることを特徴とする方法。
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