Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas sowie verschiedene Anwendungen dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung.

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas bekannt. Diese beruhen im wesentlichen darauf, dass in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird. In die Niederdruckkammer wird gezielt ein Arbeitsgas eingelassen, in dem zwischen zwei Elektroden eine Gasentladung gezündet wird. Das in der Niederdruckkammer enthaltene Arbeitsgas, das auch allgemein ein Gasgemisch sein kann, wird dann durch die Entladung zu einem Plasma angeregt. Das erzeugte Plasma verteilt sich aufgrund thermischer Effekte innerhalb der Niederdruckkammer. Alternativ zur Gasentladung kann die Plasmaanregung auch durch ein Mikrowellenfeld erfolgen.

Derartige Niederdruckplasmen haben den Nachteil, dass deren Intensität aufgrund der geringen Dichte des Arbeitsgases begrenzt ist. Denn für das Erzeugen des Niederdruckplasmas wird ein Unterdruck benötigt, um überhaupt eine Plasmaentladung zünden und aufrecht halten zu können. Je höher aber der Druck in der Niederdruckkammer eingestellt ist, desto niedriger wird die Intensität des Plasmas.

Aus diesen Gründen weisen die bekannten Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Niederdruckplasmas bspw. für die Behandlung eines Werkstückes große Bearbeitungsdauern auf, die einen begrenzenden Faktor für die Effektivität der gesamten Bearbeitung der Werkstücke darstellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die Effektivität der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas und zur Anwendung eines Niederdruckplasmas zu verbessern.

Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird gemäß einer ersten Lehre der Erfindung durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Das Verfahren besteht aus den beiden Verfahrensschritten, dass mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird und dass ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird.

Während des Einleitens des Plasmastrahls, ider einen höheren Gasdruck als die Niederdruckkammer aufweist, wird die Funktion der Vakuumpumpe aufrecht gehalten, so dass sich ein Gleichgewicht zwischen dem eingelassenen Plasmagas zusammen mit dem verbleibenden Teil des nicht angeregten Arbeitsgases und dem abgepumpten Gas ergibt. Der Gasdruck des Plasmastrahls kann dabei bis zu mehr als Atmosphärendruck betragen. Dadurch breitet sich ein Plasma mit hoher Intensität innerhalb der Niederdruckkammer aus. Entsprechend große Pumpleistungen müssen dabei durch die Vakuumpumpe gewährleistet sein, damit der Niederdruck trotz des Gasstroms aus der Plasmadüse aufrecht gehalten werden kann.

RO/sv 040430WO Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Arbeitsgas unter höheren bis mehr als atmoshärischen Drücken zu einem Plasma angeregt wird und sich somit ein erheblich intensiverer Plasmastrahl ausbildet, als es bei der in der unter Unterdruck stehenden Niederdruckkammer ablaufenden Entladung oder Mikrowellenanregung der Fall ist. Denn dadurch, dass der Plasmastrahl außerhalb der Niederdruckkammer in einer Plasmaquelle erzeugt wird, können dort die höheren Arbeitsgasdrücke eingestellt werden, ohne dass der Druck in der Niederdruckkammer zu stark erhöht wird.

Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass sich bei unterschiedlichen Unterdrücken in der Niederdruckkammer die Form des austretenden Plasmastrahls verändert. Tritt der Plasmastrahl in Form einer fokussierten Flamme, vergleichbar der Form einer Kerzenflamme, bei Atmosphärendruck aus der Düsenöffnung aus, so weitet sich der Plasmastrahl bei geringer werdenden Unterdrücken immer weiter auf, bis sich der Plasmastrahl ab einem bestimmten Unterdruck kurz nach dem Austreten aus der Düsenöffnung bereits auflöst und sich das Plasma innerhalb der Niederdruckkammer verteilt.

Beispielhaft wird dazu der Unterdruckbereich von 10 mbar bis 300 mbar angegeben, innerhalb dessen sich die zuvor beschriebene Veränderungen des Plasmastrahls ergeben. Dieser Bereich ist bei einem Versuch gefunden worden, soll jedoch nicht beschränkend für die Erfindung verstanden werden. Die jeweiligen Druckverhältnisse und Geometrien innerhalb der Niederdruckkammer und der Druck des in der Plasmaquelle eingesetzten Arbeitsgases beeinflussen wesentlich die Ausformungen des Plasmastrahls bzw. des Plasmas innerhalb der Niederdruckkammer.

RO/sv 040430WO Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund des Niederdruckes in der Niederdruckkammer das Plasma eine längere Verweildauer hat, als es bei einer Plasmaerzeugung unter Atmosphärendruck der Fall ist. Das Plasma kann also für eine längere Zeitdauer genutzt werden, als es bei der bisher bekannten Anwendung der Plasmaquellen der Fall gewesen ist.

Die Plasmaquelle kann in unterschiedlicher Weise den Plasmastrahl erzeugen.

Bevorzugt wird eine Plasmadüsenanordnung eingesetzt, die aus dem Stand der Technik der EP 0 761 415 Al oder der EP 1 335 641 Al bekannt ist. Bei dieser Plasmaquelle wird mittels einer unter Anlegen einer hochfreqμenten Hochspannung in einem Düsenrohr zwischen einer Stiftelektrode und einer Elektrode im Bereich der Düsenöffnung mittels einer nicht-thermischen Entladung aus dem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt, der aus der Düsenöffnung austritt. Dieser nicht-thermische Plasmastrahl weist bei einer geeignet eingestellten Strömungsrate keine elektrischen Funken auf, so dass nur der energiereiche, aber niedrig temperierte Plasmastrahl die Düsenöffnung verlässt . Zur Charakterisierung des Plasmastrahls wird auch von einer hohen Elektronentemperatur und einer niedrigen Ionentemperatur gesprochen.

Beim Stand der Technik der DE 37 33 492 erfolgt das Erzeugen des Plasmastrahls mittels einer Koronaentladung durch eine Ionisation eines Arbeitsgases, bspw. Luft. Die Vorrichtung besteht aus einem Keramikrohr, das an der äußeren Wandung mit einer äußeren Elektrode umgeben ist. Mit wenigen Millimetern Abstand zur Innenwandung des

RO/sv 040430WO Keramikrohres ist eine innere Elektrode als Stab angeordnet. Durch den Spalt zwischen der Innenwandung des Keramikrohres und der inneren Elektrode wird ein ionisierbares Gas wie Luft oder Sauerstoff geleitet. An die beiden Elektroden wird ein hochfrequentes Hochspannungsfeld angelegt, wie es bei einer Koronavorbehandlung von Folien eingesetzt wird. Durch das Wechselfeld wird das durchgeführte Gas ionisiert und tritt am Rohrende aus.

Ebenso ist das Erzeugen eins Plasmastrahls durch Anwendung eines hochfrequenten Spannungsfeldes, beispielsweise eines Mikrowellenfeldes, in einem Arbeitsgas bekannt. Diese Anregungsart kommt ohne das Erzeugen einer Gasentladung aus und ist somit weniger effizient als die zuerst beschriebene Plasmaquelle.

Letztlich kommt es aber auf die Art der Anregung des Arbeitsgases zur Plasmaerzeugung nicht an.

Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch ein Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung eines Werkstückes in einem Niederdruckplasma gelöst, bei dem ein Werkstück in einer Kammer angeordnet wird, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird, bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird und bei dem die Oberfläche des Werkstückes durch den sich in der Niederdruckkammer ausbreitenden Plasma vorbehandelt wird.

Dieses Verfahren setzt das zuvor erläuterte Verfahren ein, um ein intensives Niederdruckplasma in der Niederdruckkammer zu erzeugen. In dieser mit dem Plasma

040430WO gefüllten Niederdruckkammer wird das Werkstück angeordnet und die Oberfläche des Werkstückes wird vorbehandelt.

Unter einer Vorbehandlung wird dabei verstanden, dass die Oberfläche von Verschmutzungen gereinigt wird und/oder dass Oberflächenschichten abgetragen werden und/oder dass die Oberfläche aktiviert wird.

Die Reinigung der Oberfläche von Verschmutzungen beruht beispielsweise darauf, dass mit Hilfe eines aggressiven Arbeitsgases, beispielsweise Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Pentan oder Gemische daraus aufweisend, ein Plasma mit hoher Energie erzeugt wird, das zu einem Verbrennen oder Umwandeln der Verschmutzungen führt. Damit können insbesondere organische Verschmutzungen wie Fette und Öle von der Oberfläche des Werkstückes abgelöst und entfernt werden. Anwendung findet dieses Verfahren bevorzugt bei metallischen Werkstücken oder Werkstücken aus keramischen Werkstoffen. Das Verfahren kann auch bei Kunststoffen angewendet werden.

Das Entschichten der Oberfläche beruht darauf, dass die Energie des Plasmas in die •Oberflächenschicht eingekoppelt wird und somit zu einem Schmelzen und Verdampfen des Schichtmaterials führt. Das so losgelöste und zumindest teilweise in die Gasphase übergegangene Schichtmaterial kann dann über die Vakuumpumpe entfernt werden.

Die Aktivierung der Oberfläche dient dazu, dass die Oberfläche nach der Vorbehandlung eine bessere Benetzbarkeit für Flüssigkeiten aufzuweist. Die Oberfläche des Werkstückes an sich bleibt dabei im wesentlichen unverändert. Jedenfalls ist angestrebt, physikalische oder chemische Oberflächenveränderungen zu vermeiden.

RO/sv 040430WO Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch ein Verfahren zum Plasmabeschichten eines Werkstückes in einem Niederdruckplasma gelöst, bei dem ein Werkstück in einer Kammer angeordnet wird, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird, bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird, bei dem ein Precursormaterial zugeführt wird, bei dem das Precursormaterial im sich in der Niederdruckkammer ausbreitenden Plasma reagiert und bei dem das Werkstück mit den im Plasma aus dem Precursormaterial entstehenden Reaktionsprodukten zumindest teilweise beschichtet wird.

Somit kann der intensive und sich je nach den Druckverhältnissen mehr oder weniger stark ausbreitende Plasmastrahl auch für das Plasmabeschichten vorteilhaft eingesetzt werden.

Das Precursormaterial, das gasförmig, flüssig oder in festem Zustand vorliegen kann, kann dazu entweder direkt in der Niederdruckkammer oder innerhalb der Plasmaquelle zugeführt werden. Innerhalb der Plasmaquelle kann das Precursormaterial entweder dem Arbeitsgas oder im Bereich der Düsenöffnung dem Plasmastrahl zugeführt werden.

Zum Erzeugen des Plasmastrahls unter Verwendung eines Precursors wird in bevorzugter Weise das Verfahren und die Vorrichtung eingesetzt, die aus der EP 1 230 414 bekannt sind. Hierbei wird das Precursormaterial im Bereich der Düsenöffnung dem Plasmastrahl zugeführt, nachdem das Plasmagas den Bereich der Entladung innerhalb des Düsenrohres verlassen hat. Das Precursormaterial reagiert

RO/sv 040430WO dann im aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahl und die entstehenden Reaktionsprodukte werden beim Auftreffen auf der Oberfläche des Werkstückes aus der Gasphase abgeschieden.

Die oben erläuterte Veränderung der Form des Plasmastrahls bei unterschiedlichen Drücken innerhalb der Niederdruckkammer kann in vorteilhafter Weise dazu eingesetzt werden, um eine flächige Bearbeitung, also das Vorbehandeln oder das Beschichten, vor allem auf der der Plasmaquelle zugewandten Seite des Werkstückes zu erreichen. Der aufgeweitete Plasmastrahl trifft dann vor allem auf diese Fläche, während von der Plasmaquelle abgewandte Oberflächen des Werkstückes abgeschirmt sind. Dazu wird der Druck innerhalb der Niederdruckkammer so eingestellt, dass sich der Plasmastrahl nicht vollständig auflöst, jedoch so stark aufweitet, dass sich ein im Vergleich zur Düsenöffnung großer Querschnitt des Plasmastrahls einstellt. Der Querschnitt des Plasmastrahls kann also durch den Druck innerhalb der Niederdruckkamer sehr genau eingestellt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann das Werkstück auch relativ zur Niederdruckkammer bzw. zum Plasmastrahl bewegt werden, wodurch verschiedene Seiten des Werkstückes dem aufgeweiteten Plasmastrahl ausgesetzt werden.

Gemäß einer vierten Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch ein Verfahren zum Behandeln eines Gases gelöst, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird, bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in

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die Niederdruckkammer eingeleitet wird und bei dem das zu behandelnde Gas zugeführt wird.

Dabei wird allgemein unter dem Begriff „Gas" jedes Gas oder Gasgemisch verstanden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können in nahezu beliebiger Weise chemische Prozesse in der Gasphase innerhalb der Niederdruckkammer durchgeführt werden, die eine Zufuhr von Energie benötigen und deren Ablauf insbesondere durch die Parameter Größe und Form der Niederdruckkamer, Größe des Druckes in der Niederdruckkammer und Größe des Gasdruckes des Arbeitsgases in der Plasmaquelle gesteuert werden können. Unter dem Einfluß des Plasma werden die Gase beispielsweise chemisch modifiziert oder fragmentiert.

Das zu behandelnde Gas kann als Arbeitsgas zum Erzeugen des Plasmastrahls innerhalb des Anregungsbereiches der Plasmaquelle eingebracht werden. Das Gas kann auch dem Plasmastrahl im Bereich der Austrittsöffnung der Plasmaquelle zugeführt werden. Des Weiteren kann das Gas auch gesondert von der Plasmaquelle der Niederdruckkammer eingeleitet werden, das sich dann innerhalb der Niederdruckkammer mit dem Plasma vermischt.

In jedem der zuvor beschriebenen Fälle wird die Anregungsenergie des Plasmas dazu genutzt, um eine Reaktion des Gases hervorzurufen. Die Reaktionsprodukte und ggf. verbleibenden Reste des Ausgangsgases werden dann aus der Niederdruckkammer abgesaugt und ggf. weiter verarbeitet.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, durch die Betriebsparameter die Aufenthaltsdauer und somit die

040430WO Dauer der Behandlung des Gases innerhalb der Niederdruckkammer regeln zu können.

Das zuvor beschriebene Verfahren kann insbesondere für eine Abgasreinigung eingesetzt werden. Dazu ist es bevorzugt, das Abgas als Arbeitsgas zu verwenden. Somit können auch größere Abgasmengen kontinuierlich den chemischen Reaktionen in der Niederdruckkammer ausgesetzt werden.

Sämtliche Verfahren der zuvor beschriebenen Art gemäß der ersten vier Lehren der vorliegenden Erfindung können auch in Kombination mit der Anwendung einer herkömmlichen Niederdruckplasmavorrichtung durchgeführt werden. Das bedeutet, dass das Einleiten des Plasmastrahls mittels einer Plasmadüse durch ein Erzeugen eines Niederdruckplasmas innerhalb des Volumens der Niederdruckkammer unterstütz und ergänzt wird. Sämtliche dafür bekannten und oben erläuterten Verfahren zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas können dazu eingesetzt werden.

Ein besonderer Vorteil der Anwendung beider Plasmaerzeugungsarten besteht unter anderem darin, dass innerhalb der Niederdruckkammer gezielt Bereiche mit unterschiedlichen Plasmakonzentrationen erzeugt werden können. So kann beispielsweise eine geringe, aber gleichmäßig verteilte ■Konzentration des Plasmas der Niederdruckplasmaerzeugung mit einer konzentrierten Plasmaverteilung in einem bestimmten Bereich, beispielsweise in der Mitte der Niederdruckkammer, überlagert werden.

Ebenso ist es möglich, eines der Plasmen zur Oberflächenvorbehandlung einzusetzen und das andere Plasma zur Plasmabeschichtung einzusetzen. Ebenso können

RO/sv 040430WO unterschiedliche Plasmagase eingesetzt werden, bspw. kann der Plasma der Plasmadüse mit Luft erzeugt werden, während das Niederdruckplasma mit einem Argon enthaltenden Gasgemisch erzeugt wird.

Darüber hinaus können mit zwei unabhängigen Plasmadüsen unterschiedliche Plasmen erzeugt werden, die beide in die Niederdruckkammer eingeleitet werden. Auch hierbei können unterschiedliche Arbeitsgase eingesetzt werden, um unterschiedliche Effekte erzielen zu können.

Gemäß einer fünften Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas gelöst, die eine Niederdruckkammer, eine mit der Niederdruckkammer verbundene Vakuumpumpe und mindestens eine mit der Niederdruckkammer verbundene Plasmaquelle zum Erzeugen eines Plasmastrahls aufweist.

Diese Vorrichtung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer schematischen Darstellung und

040430WO Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer schematisehen Darstellung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer Niederdruckkammer 2, an deren Kammerwand 4 eine Vakuumpumpe 6 angeschlossen ist, die mit dem Innenraum der Niederdruckkammer 2 verbunden ist. Im Betrieb evakuiert die Vakuumpumpe 6 die Niederdruckkammer 2 und kann auch bei einem konstant zugeführten Gasstrom einen einstellbaren Unterdruck aufrecht halten. Die Vakuumpumpe 6 weist einen Gasauslass auf, der mit einer Abgasleitung 7 verbünden ist.

Die Niederdruckkammer 2 ist weiterhin mit einer Plasmaquelle 8 zum Erzeugen eines Plasmastrahls verbunden. Die Plasmaquelle 8 kann auch als Plasmadüse bezeichnet werden, da der innerhalb des Düsenrohres 10 erzeugte Plasmastrahl durch eine Düsenöffnung 12 austritt und einen durch die Düsenwirkung und durch den Plasmadruck innerhalb der Plasmazone beschleunigten Strahl darstellt. Die Plasmaquelle 8 weist Zuleitungen für das Arbeitsgas und für eine Ansteuerung auf.

Wie Fig. 1 weiterhin zeigt, ist der Plasmastrahl innerhalb der Niederdruckkammer 2 in Richtung auf die Anschlussstelle der Vakuumpumpe 6 gerichtet.

Des Weiteren ist innerhalb der Niederdruckkammer 2 eine Halterung für ein zu bearbeitendes Werkstück (nicht dargestellt) angeordnet. Im in Fig. 1 dargestellten

040430WO Ausführungsbeispiel ist die Halterung als Tisch 14 ausgebildet, auf dem das Werkstück abgelegt werden kann.

Zur gleichmäßigen Verbreitung des Plasmas auf das Werkstück können Relativbewegungen zwischen Werkstück und Plasmaquelle eingesetzt werden, z.b. durch Drehen des Werkstückes relativ zur Plasmaquelle.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwei Plasmaquellen 8 und 9 vorgesehen sind, die in einander gegenüberliegenden Seitenwänden der Niederdruckkammer 2 angeordnet sind. Beide Plasmastrahlen sind also aufeinander zu ausgerichtet, wodurch die Verwirbelung der Plasmastrahlen vergrößert wird.

Die Vakuumpumpe 6 ist bei dieser Ausführungsform am Boden der Niederdruckkammer 2 angeordnet .

Die Halterung ist gemäß Fig. 2 in Form von zwei nach oben offenen Halteringen 15 ausgebildet, so dass ein aufgelegtes Werkstück nur eine geringe Auflagefläche und weitgehend frei zugängliche Oberflächen aufweist.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die Niederdruckkammer 2 als Tunnel ausgebildet ist, der in einer Fertigungslinie angeordnet sein kann. Dazu weist die Niederdruckkammer 2 Schleusenöffnungen 18 und 20 für ein Ein- und Ausbringen von Werkstücken auf. Die Halterung ist als Förderband 22 ausgebildet, das im Innenraum der Niederdruckkammer 2 an beide Schleusenöffnungen 18 und 20 angrenzt. Zum Ein- und Ausbringen von Werkstücken werden

RO/sv 040430WO die Schleusenöffnungen 18 und 20 geöffnet, so dass über weitere Förderbänder 24 und 26 ein An- und Abtransport von Werkstücken möglich ist. RO/sv 040430WO