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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung
einer Oberfläche eines
Werkstückes,
die mit einem atmosphärischen Plasmastrahl
beaufschlagt wird.
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Bei
der Plasmabeaufschlagung oder auch bei einer Palsmabehandlung wird
ein atmosphärischer
Plasmastrahl erzeugt und auf eine Oberfläche gerichtet. Durch eine Wechselwirkung
des Plasmastrahls mit der Oberfläche
wird die Plasmabehandlung hervorgerufen.
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Plasmabehandlungen
mit einem atmosphärischen
Plasmastrahl haben aufgrund der Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten
einen großen
Stellenwert in der industriellen Fertigung. Denn neben einer Oberflächenreinigung
mit Säuberung
und Aktivierung der Oberfläche
können
auch Plasmabeschichtungen und Oberflächenumwandlungen für ein anschließendes stoffschlüssiges Verbinden
von Bauteilen mittels dieser Technologie durchgeführt werden.
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Die
Energiezufuhr für
die Plasmabehandlung wird bevorzugt mit einer Plasmaquelle bzw.
Plasmadüse
erzeugt, bei der mittels einer unter Anlegen einer hochfrequenten
Hochspannung in einem Düsenrohr
zwischen zwei Elektroden mittels einer nicht-thermischen Entladung
aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt wird. Dabei steht
das Arbeitsgas vorzugsweise unter Atmosphärendruck, man spricht daher
auch von einem atmosphärischen Plasma.
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Der
Plasmastrahl tritt aus der Düsenöffnung aus,
wobei eine der beiden Elektroden im Bereich der Düsenöffnung angeordnet
ist. Der nicht-thermische Plasmastrahl weist bevorzugt außerhalb
der Plasmadüse
bei einer geeignet eingestellten Strömungsrate keine elektrischen
Streamer auf, also Entladungskanäle
der elektrischen Entladung, so dass nur der energiereiche, aber
niedrig temperierte Plasmastrahl auf die Oberfläche gerichtet wird. Ein solcher
atmosphärischer
Plasmastrahl wird auch als potentialfreier Plasmastrahl bezeichnet.
Die Spannungsdifferenz zwischen der Düsenöffnung und dem Werkstück liegt dabei
bevorzugt unterhalb von 100 V.
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Zur
Charakterisierung der Gaseigenschaften des Plasmastrahls wird von
einer hohen Elektronentemperatur und einer niedrigen Ionentemperatur
gesprochen. Die hohe Elektronentemperatur bewirkt eine hohe Reaktivität des Plasmagases
oder Plasmagasgemisches. Die niedrige Ionentemtemperatur dagegen
bewirkt eine geringe Wärmeenergie,
die beim Auftreffen des Plasmastrahls auf der Oberfläche auf
diese übertragen
wird.
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Aus
dem Stand der Technik der
EP
0 761 415 A1 und der
EP 1 335 641 A1 sind derartige Plasmaquellen
an sich bekannt. Für
einen großflächigere Anwendung
des Plasmastrahls eignen sich die aus der WO 99/52333 und der WO
01/43512 bekannten Rotationsdüsen.
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In
bevorzugter Weise wird der Plasmastrahl mit Hilfe einer atmosphärischen
Entladung in einem Sauerstoff enthaltenden Arbeitsgas erzeugt. Dadurch
wird die Reaktivität
des Plasmastrahls erhöht. In
bevorzugter Weise wird Luft als Arbeitsgas verwendet. Ebenso kann
ein Arbeitsgas aus einer Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff
eingesetzt werden, ein sogenanntes Formiergas. Als Arbeitsgas kommt
auch nur Stickstoff in Frage.
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Die
nicht-thermische Plasmaentladung erfolgt insbesondere unter Anwendung
einer hochfrequenten Hochspannung, wobei eine Folge von Entladungen
zwischen zwei Elektroden der Plasmadüse erzeugt wird und das Arbeitsgas
zu einem aus der Plasmadüse
austretenden Plasma angeregt wird. Gerade die hochfrequente Folge
der Entladungen gewährleistet,
dass kein thermisches Gleichgewicht im Entladungsraum entsteht.
Somit kann auch im Dauerbetrieb das Ungleichgewicht zwischen Elektronentemperatur
und Ionentemperatur aufrecht gehalten werden.
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Die
Effektivität
der Plasmabehandlung hängt natürlich von
der Wahl des Prozessgases, der Leistung, der Behandlungsdauer und
des Anlagenkonzeptes ab und es können
je nach Anforderung Anpassungen vorgenommen werden. Insbesondere stellen
die Spannungswerte Frequenz und Amplitude geeignete Mittel dar,
um die Effektivität
der Plasmabehandlung zu beeinflussen.
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Beim
Stand der Technik der
DE 37 33
492 erfolgt das Erzeugen des atmosphärischen 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
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.
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Ebenso
ist das Erzeugen eines atmosphärischen
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.
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Letztlich
kommt es aber auf die Art der Anregung des Arbeitsgases zur Plasmaerzeugung
nicht an, solange eine ausreichende Intensität eines Plasmastrahls erzeugt
werden kann.
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Die
Plasmabehandlung von Oberflächen kommt
auch in sehr sensitiven Bereichen zur Anwendung. Beispielsweise
wird diese Technologie im Flugzeugbau eingesetzt, um Oberflächen von
Verbundwerkstoffen zu reinigen. So können nach Lackierarbeiten Klebstoffreste
von Abklebungen an der Oberfläche
haften bleiben, die für
die nachfolgende Verarbeitung, bspw. für das nachfolgende Verkleben
der Bauteile nachteilig sind. Hier kann mittels eines atmosphärischen
Plasmastrahls die Oberfläche
sehr sorgfältig
gereinigt werden.
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Dabei
tritt das Problem auf, dass der Grad der Reinigung nicht eindeutig
vom Bearbeiter festgestellt werden kann, der die Plasmaquelle bedient.
Um sicher zu gehen, wird der Bearbeiter daher oft eine zu lange
Plasmabeaufschlagungszeit wählen.
Diese ist sowohl technisch als auch wirtschaftlich nicht sinnvoll.
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Auch
bei anderen Arten der Reinigung von Verschmutzungen von Werkstücken, beispielsweise eine
Verschmutzung mit Ölen
kann der Grad der Reinigung mittels eines atmosphärischen
Plasmas nicht überprüft werden.
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Eine
weitere Anwendung der Plasmabehandlung besteht in der Plasmabeschichtung,
wie sie aus der WO 01/32949 bekannt ist. Auch hier stellt sich das
Problem, das nicht einwandfrei bestimmt werden kann, wann eine Plasmabeschichtung
abgeschlossen ist, also wann beispielsweise eine vollständige Schichtdicke
erreicht worden ist.
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Des
Weiteren ist kann eine Oberflächenschicht
aus hydratisiertem Aluminiumoxid vor einem Verkleben umgewandelt
werden, indem durch eine Plasmabeaufschlagung die Aluminiumoxidschicht dehydratisiert
und somit verfestigt wird. Auch bei diesem Prozess kann im Behandlungsprozess
nicht genau festgestellt werden, wann die Plasmabehandlung beendet
werden kann.
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung anzugeben, die eine Charakterisierung einer Oberfläche eines
Werkstückes
und darüber
hinaus eine Überwachung
einer Plasmabehandlung ermöglichen.
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Das
zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes nach
Anspruch 1 gelöst,
bei dem ein atmosphärischer
Plasmastrahl erzeugt wird und auf die Oberfläche gerichtet wird, bei dem
das in dem Plasmastrahl im Bereich der beaufschlagten Oberfläche entstehende
Licht analysiert wird und bei dem die Lichtintensität in mindestens
einem Spektralbereich als Maß für die Konzentration
mindestens eines von der Oberfläche
des Werkstückes
durch Beaufschlagung mit dem atmosphärischen Plasmastrahl abgelösten Stoffes
bestimmt wird.
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Dieser
Lösung
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Plasma in dem Bereich, in
dem es mit der Oberfläche
des Werkstückes
in Kontakt steht, Stoffe enthält,
die durch das Plasma von der Oberfläche abgelöst worden sind. Diese Stoffe
sind zudem durch die im Plasma enthaltene Energie angeregt und emittieren
Licht. Da diese Stoffe ein charakteristisches wellenlängenabhängiges Emissionsverhalten
aufweisen, lässt
sich die Konzentration des Stoffes im Plasma anhand einer wellenlängenselektiven
Analyse des vom Plasma abgestrahlten Lichtes bestimmen.
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Daher
kann das zuvor beschriebene Verfahren auch als Plasmaemissionspektroskopie
bezeichnet werden. Denn das Plasma dient nicht nur zum Ablösen des
Stoffes aus der Oberfläche,
sondern auch als Anregungsquelle für die von diesem Stoff erzeugte
Emission.
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Mit
dem zuvor beschriebenen Verfahren kann also die Oberfläche des
Werkstückes
in ihrer Zusammensetzung zumindest teilweise charakterisiert werden,
indem die Konzentrationen der interessierenden Stoffe im Plasma
gemessen werden. Hierbei kommt es also auf eine Zustandsbestimmung
und nicht auf eine Plasmabehandlung an.
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In
bevorzugter Weise wird die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich
mit der Lichtintensität
eines anderen Wellenlängenbereiches
verglichen wird, insbesondere indem die Differenz bestimmt wird
oder eine Normierung durchgeführt
wird. Wenn die Lichtintensität
im anderen Wellenlängebereich
von der Emission des zu analysierenden Stoffes unabhängig ist,
dann wird die Lichtintensität
in dem mindestens einen Wellenlängenbereich
durch die Lichtintensität
des anderen Wellenlängenbereich
in Relation gesetzt und normiert. Schwankungen der Plasmaintensität, die nicht
durch eine Schwankung der Konzentration des zu analysierenden Stoffes
hervorgerufen werden, können
somit eliminiert werden.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
die zeitliche Entwicklung der Lichtintensität in dem mindestens einen Spektralbereich
zu bestimmen, mit oder ohne Normierung mit der Lichtintensität in einem
anderen Wellenlängenbereich. Ändert sich
die Lichtintensität nicht
oder nur geringfügig,
dann kann daraus eine konstante Intensität des Stoffes im Plasma geschlossen
werden. Insbesondere bei der Charakterisierung der Oberflächenzusammensetzung
kann dieses Verfahren zu besonders stabilen Messergebnissen führen.
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Ändert sich
dagegen die Lichtintensität
und nimmt beispielsweise ab, dann kann auf eine abnehmende Konzentration
des Stoffes geschlossen werden. Somit kann die Abnahme der Lichtintensität einen
Hinweis über
den Grad der Vollständigkeit
einer Plasmabehandlung geben: Denn während der Plasmabehandlung
kann es durch den jeweiligen Oberflächenprozess einen bestimmten
Stoff im Plasma geben, dessen abnehmende Konzentration ein Maß für die Qualität und Vollständigkeit
der Plasmabehandlung darstellt. Ebenso ist es denkbar, dass die gemessene
Lichtintensität
zunimmt, vorzugsweise asymptotisch zunimmt, wenn der nachgewiesene Stoff
aus der Oberfläche
erst nach der Behandlung austreten kann.
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In
bevorzugter Weise wird sich die Konzentration des Stoffes asymptotisch
einem Grenzwert nähern.
Somit kann dann, wenn für
mindestens ein Paar von aufeinander folgenden Messungen der Lichtintensität die Differenz
der Messwerte einen vorgegebener Grenzwert unterschreitet, ein Kriterium für die Qualität der Plasmabehandlung
angenommen werden. Diese Methode ist insbesondere deswegen gut geeignet,
da die Lichtintensität
durch Strahlung in dem gleichen Wellenlängenbereich durch andere, von
der Konzentration des zu analysierenden Stoffes unabhängige Prozesse überlagert
wird.
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Wird
also während
der Plasmabehandlung kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen die Lichtintensität in den
interessierenden Spektralbereichen gemessen und ggf. das zeitliche
Verhalten der Messwerte mit einem vorgegebenen Referenz- oder Schwellenwert
verglichen, so kann eine Bedingung aufgestellt werden, ab der festgestellt
werden kann, dass die Behandlung in dem aktuellen Oberflächenbereich
abgeschlossen ist bzw. abgeschlossen werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Anwendung wird die Oberfläche durch den Plasmastrahl
gereinigt und die Lichtintensität
in dem mindestens einen Wellenlängenbereich
wird als Maß für den Grad
der Reinigung ermittelt. Soll also beispielsweise eine Oberfläche von
Resten eines Silikonklebstoffes gesäubert werden, dann können charakteristische
Emissionslinien von Silizium im Spektrum des abgestrahlten Lichtes analysiert
werden. Der Grad der Reinigung einer Ölverschmutzung oder der Grad
einer Entfettung kann beispielsweise durch eine Analyse von charakteristischen
Banden im Spektrum des betreffenden Öls analysiert und bestimmt
werden.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin,
dass der auf der Oberfläche
anhaftende und die Oberfläche
verschmutzende Stoff mit einem Botenstoff angereichert wird und bei
dem die durch den Botenstoff erzeugte Lichtintensität analysiert
wird. Diese Maßnahme
kann zu einer verbesserten Analyse führen. Das Hinzufügen eines Botenstoffes
ist gerade dann möglich,
wenn die Verschmutzung der Oberfläche durch einen vorgelagerten
Prozess unter Einsatz des Stoffes hervorgerufen wird. Der Botenstoff
kann dann dem Stoff vor dem vorgelagerten Prozess zugefügt werden,
um dann beim Entfernen von der Oberfläche nachgewiesen werden zu
können.
Somit ist es möglich,
gezielt einen Stoff mit einem markanten Emissionsverhalten einzusetzen.
Markant bedeutet dabei, dass sich die Emissionslinien oder Emissionsbanden
deutlich gegenüber
dem restlichen Spektrum des aus dem Plasma abgestrahlten Lichtes
unterscheiden und dass somit der Nachweis des Botenstoffes vereinfacht
wird.
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Eine
Plasmabehandlung der Oberfläche führt in der
Regel auch zu einer Oberflächenaktivierung,
die für
eine bessere Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten angestrebt wird.
Dieses spielt insbesondere für
ein Lackieren oder für
einen Klebstoffauftrag eine große
Rolle. Dabei ist vor allem das Maß der Aktivierung wichtig,
da erst ab einem bestimmten Aktivierungsgrad eine Benetzung mit
einer bestimmten Flüssigkeit
möglich
ist. Die Verbesserung der Benetzbarkeit ist insbesondere bei Kunststoffen
interessant, da diese oftmals eine schlechte Benetzbarkeit besitzen.
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Während der
Aktivierung der Oberfläche werden
bestimmte Stoffe aus der Oberfläche
herausgelöst
oder durch chemische Umwandlung erzeugt. Beispiele dafür sind OH-Gruppen,
Carboxylgruppen oder Carbonylgruppen. Weitere Beispiele solcher Stoffe
sind extern zugeführte
Trennmittel oder interne Additive, die bei Beaufschlagung mit einem
Plasmastrahl aus dem Werkstück
und somit aus der Oberfläche
abgelöst
werden. Durch Bestimmmung des zeitlichen Verlaufes der Konzentration
eines solchen Stoffes im Plasma in der zuvor erläuterten Weise kann ein Maß der Aktivierung
der Oberfläche
bestimmt werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Anwendung des Verfahrens kann die Oberfläche durch
den Plasmastrahl plasmabeschichtet werden und die Lichtintensität in dem
mindestens einen Wellenlängenbereich
als Maß für den Grad
der Beschichtung ermittelt werden. Bei einer Plasmabeschichtung,
beispielsweise einer Plasmapolymerisation, kann als Maß für die Vollständigkeit
der Beschichtung die Emissionsintensität eines Stoffes herangezogen
werden, der aus der noch nicht beschichteten Oberfläche austritt. Denn
die Intensität
des atmosphärischen
Plasmas kann so eingestellt werden, dass Stoffe aus der Oberfläche des
Werkstückes
herausgelöst werden. Dieses
erfolgt nur so lange, wie die Oberfläche noch nicht vollständig beschichtet
worden ist. Ist die Beschichtung abgeschlossen, so tritt der interessierende
Stoff nicht mehr aus der Oberfläche
aus und die charakteristischen Linien oder Banden sind nicht mehr
im Spektrum des analysierten Lichtes vorhanden.
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Des
Weiteren kann die Oberfläche
durch den Plasmastrahl modifiziert werden, wobei die Lichtintensität in dem
mindestens einen Wellenlängenbereich
als Maß für den Grad
der Modifikation ermittelt wird. Denn bei einer Plasmastrahlbehandlung
zur Oberflächenmodifikation,
beispielsweise bei der oben genannten Dehydratisierung einer Aluminiumoxidschicht,
tritt bei der Umwandlung ein Stoff aus, beispielsweise Wassermoleküle, dessen
spektrale Charakteristik im Spektrum als Maß für die Vollständigkeit
der Modifikation herangezogen werden kann.
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Wie
bereits erwähnt
worden ist, wird vorzugsweise das Plasma mittels einer Emissionsspektroskopie
analysiert. Dabei handelt es sich um spontane Emissionsvorgänge der
im Plasma enthaltenen und von diesem Plasma angeregten Atome und/oder Moleküle. Aufgrund
des hohen Anregungsgrades treten diese Emissionen in großer Intensität auf. Die Analyse
des emittierten Lichtes wird dann mittels eines Spektrographen durchgeführt, der
mittels Beugung oder Brechung das einfallende Licht spektral auflöst und wellenlängenselektiv
aufnimmt. Die so erhaltenen Spektren können dann in einzelnen Wellenlängenabschnitten überwacht
werden, um die für
den zu analysierenden Stoff charakteristischen Linien oder Banden
im Wellenlängenspektrum
zu identifizieren und zu vermessen.
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Als
Referenzwert für
einen Vergleich mit den zu messenden Lichtintensitäten kann
zuvor die Intensität
des Spektrums in dem interessierenden Spektralbereich ohne das Vorhandensein
des Stoffes bestimmt werden. Bei Vorhandensein des Stoffes ist in dem
interessierenden Spektralbereich dann eine erhöhte Intensität festzustellen,
die mit dem Referenzwert bzw. mit der Referenzintensität verglichen
wird. Zur Bestimmung der Intensität wird üblicher Weise das Integral über mehrere
Messpunkte bzw. Spektralbereiche durchgeführt, um den Messfehler gering zu
halten. Jedoch kann bei einer geringen Wellenlängenauflösung auch nur der Messwert
eines Messkanals ausgewertet werden.
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Bevorzugt
wird zur Bestimmung der Spektren die Optische Emissionsspektroskopie
(OES) eingesetzt, die eine weit verbreitete Technologie darstellt.
Diese Spektroskopie besteht darin, einen Lichtstrahl mittels eines
Beugungsgitters spektral zu zerlegen und anschließend mittels
einer Zeilenkamera oder CCD-Kamera aufzuzeichnen. Die so ermittelten Spektren
zeigen eine Intensitätsverteilung
in Abhängigkeit
von der Wellenlänge,
so dass eine wellenlängenselektive
Analyse des aus dem Plasma gewonnenen Lichtes ermöglicht wird.
Selbstverständlich können auch
andere Spektroskopen verwendet werden.
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Zuvor
ist das Verfahren dahingehend beschrieben worden, dass die durch
das Plasma selbst angeregten Emissionsspektren analysiert werden. Dabei
dient das Plasma selber als Anregungsquelle. Dagegen ist es auch
möglich,
den im Plasma enthaltenen Stoff mittels einer separaten Quelle anzuregen und
die dadurch hervorgerufene Emission zu analysieren. Dazu wird mittels
einer separaten Anregungsquelle, bevorzugt mittels eines Laserstrahls
eine gezielte Anregung des nachzuweisenden Stoffes durchgeführt, die
zu einer Emission von Licht mit einer bestimmten spektralen Verteilung
führt.
Diese Technologie ist auch also laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)
bekannt. Das aufgenommene Spektrum zeigt dann eine in den Bereichen
der LIF-Linien erhöhte
Intensität,
die als Nachweis des interessierenden Stoffes dient.
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Ist
die Behandlung weitgehend abgeschlossen, so wird die Differenz zwischen
der Lichtintensität zu
einem Referenzwert oder zu einem zuvor aufgenommenen Messwert sehr
klein und kann schließlich nicht
mehr festgestellt werden. In diesem Fall kann ein Kontrollsignal
erzeugt werden, das einem Benutzer der Plasmadüse anzeigt, dass die zuvor
behandelte Fläche
fertig behandelt worden ist. Der Benutzer kann dann zu einem anderen
Abschnitt der Oberfläche übergehen
und somit systematisch die zu bearbeitende Oberfläche mit
dem Plasma behandeln.
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Ebenso
ist es möglich,
eine automatisch ablaufende Plasmabehandlung in Abhängigkeit
von dem Kontrollsignal zu steuern. Beispielsweise kann der Vortrieb
oder die Verstellgeschwindigkeit der Plasmadüse relativ zur zu behandelnden
Oberfläche verändert werden.
Dazu erzeugen die Kontrollmittel in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal
der Analysemittel ein Kontroll- und Steuersignal, das der Steuerung
der Plasmabehandlungsanlage zugeleitet wird.
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Das
oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch eine Vorrichtung
zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes mit
den Merkmalen des Anspruches 11 sowie durch eine Plasmadüse zum Erzeugen
eines atmosphärischen Plasmastrahls
mit einer Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines
Werkstückes
nach Anspruch 20 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen dieser Vorrichtungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei
auf die beigefügte
Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die an einer ersten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die an einer zweiten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die in einer dritten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist, und
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4 das
zweite Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die an einer vierten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist, und
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5-8 Diagramme
zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bevor
auf die Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Charakterisierung einer Oberfläche mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls
eingegangen wird, wird zunächst
auf die Funktionsweise von bevorzugten Plasmadüsen zum Erzeugen eines atmosphärischen
Plasmastrahls eingegangen.
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Die
in 1 gezeigte Plasmadüse 10 weist ein Düsenrohr 12 aus
Metall auf, das sich konisch zu einer Auslassöffnung 14 verjüngt. Am
der Auslassöffnung 14 entgegengesetzten
Ende weist das Düsenrohr 12 einen
Einlass 16 für
ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Druckluft. Eine Zwischenwand 18 des Düsenrohres 12 weist
einen Kranz von schräg
in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 20 auf und bildet
so eine Dralleinrichtung für
das Arbeitsgas. Der stromabwärtige,
konisch verjüngte
Teil des Düsenrohres
wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 22 durchströmt, dessen
Kern auf der Längsachse
des Düsenrohres
verläuft.
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An
der Unterseite der Zwischenwand 18 ist mittig eine Elektrode 24 angeordnet,
die koaxial in den verjüngten
Abschnitt des Düsenrohres 12 hineinragt.
Die Elektrode 24 wird durch einen rotationssymmetrischen,
an der Spitze abgerundeten Stift gebildet, beispielsweise aus Kupfer,
der durch einen Isolator 26 elektrisch gegenüber der
Zwischenwand 18 und den übrigen Teilen des Düsenrohres 12 isoliert ist. Über einen
isolierten Schaft 28 wird an die Elektrode 24 eine
hochfrequente Wechselspannung angelegt, die von einem Hochfrequenztransformator 30 erzeugt
wird.
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Die
Spannung ist variabel regelbar und beträgt beispielsweise 500 V oder
mehr, vorzugsweise 2 – 5
kV, insbesondere mehr als 5 kV. Die Frequenz liegt beispielsweise
in der Größenordnung
von 0,5 kHz bis 50 kHz, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 30 kHz,
und ist vorzugsweise ebenfalls regelbar. Durch eine gezielte Variation
der Frequenz und/oder der Amplitude der Spannung können die
Eigenschaften des Plasmas beeinflusst werden.
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Der
Schaft 28 ist mit dem Hochfrequenztransformator 30 über ein
flexibles Hochspannungskabel 32 verbunden. Der Einlass 16 ist über einen nicht
gezeigten Schlauch mit einer Druckluftquelle mit variablem Durchsatz
verbunden, die vorzugsweise mit dem Hochfrequenzgenerator 30 zu
einer Versorgungseinheit kombiniert ist. Die Plasmadüse 10 lässt sich
so mühelos
mit der Hand oder mit Hilfe eines Roboterarms bewegen. Das Düsenrohr 12 und die
Zwischenwand 18 sind geerdet. Durch eine gezielte Variation
des Durchflusses können
ebenfalls die Eigenschaften des Plasmas beeinflusst werden.
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Durch
die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form
einer Bogenentladung 34 zwischen der Elektrode 24 und
dem Düsenrohr 12 erzeugt.
Aufgrund der drallförmigen
Strömung
des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf
der Achse des Düsenrohres 12 kanalisiert,
so dass er sich erst im Bereich der Auslassöffnung 14 zur Wand
des Düsenrohres 12 verzweigt.
Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer
Nähe des
Lichtbogens 34 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert,
kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum
Teil in den Plasmazustand überführt, so
dass ein Strahl 36 eines verhältnismäßig kühlen atmosphärischen
Plasmas aus der Auslassöffnung 14 der
Plasmadüse 10 austritt.
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2 zeigt
im Unterschied zur 1 eine Plasmadüse, die
geeignet ist eine Plasmapolymerisation durchzuführen. Dabei beizeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche Bauteile und Merkmale, wie sie zuvor anhand
der 1 beschrieben worden sind.
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Zusätzlich zur
Düsen-
und Elektrodenanordnung ist bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
im Bereich der Düsenöffnung eine
Lanze 40 vorgesehen, durch die während des Betriebes der Plasmadüse 10 ein
Precursor eingelassen wird. Das Precursormaterial wird im Plasmastrahl 36 durch
Energiezufuhr angeregt und zur Reaktion gebracht. Mindestens eines
der Reaktionsprodukte wird dann auf der Oberfläche als Plasmabeschichtung
abgelagert.
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3 zeigt
eine Plasmadüse,
die zur in 1 dargestellten Plasmadüse sehr ähnlich ist,
der Unterschied zwischen beiden Figuren besteht im Wesentlichen
in der Art der Anordnung und Befestigung eines Lichtleiters.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Plasmadüse 10,
die einen rotierenden Plasmastrahl 36 erzeugt. Dazu ist
das Düsenrohr 12 mittels
eines Lagers 80 drehbar gelagert und kann über ein
Zahnrad 82 angetrieben werden. Das Mundstück 84 ist über ein
Gewinde 86 mit dem Düsenrohr 12 verbunden
und weist einen von der Achse weggerichteten Kanal 88 auf.
Der Kanal erzeugt somit einen schräg zur Achse verlaufenden Plasmastrahl 36,
der bei einer Drehung des Düsenrohres 12 eine
Kreisbewegung durchführt
und somit einen vergrößerten Bereich
der Oberfläche 54 erfasst.
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Die
Drehbarkeit des Mundstückes 84 kann auch
dadurch erreicht werden, dass das Mundstück 84 gegenüber dem
Düsenrohr 12 drehbar
gelagert ist und unabhängig
vom Düsenrohr 12 die
Drehbewegung ausführt.
Durch eine geringe tangentiale Kippung des Auslasses des Mundstückes 84 kann
darüber
hinaus der austretende Plasmastrahl 36 auch für einen
Antrieb der Drehbewegung genutzt werden.
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Im
Folgenden werden die verschiedenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes mittels
eines atmosphärischen Plasmastrahls
erläutert.
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Zunächst ist
ein Spektrometer 50 vorgesehen, das der Spektralanalyse
dient. Dazu weist das Spektrometer 50 ein das einfallende
Licht beugendes oder brechendes Element, wie beispielsweise ein Beugungsgitter
auf, so dass das Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt
wird. Des Weiteren weist das Spektrometer 50 ein eine Vielzahl
von photoempfindlichen Messzellen auf, die die unterschiedlichen
Wellenlängenbereiche
erfassen. Beispiele solche Messzellenanordnungen sind Zeilenkameras oder
CCD-Kameras.
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Des
Weiteren weist die Vorrichtung als optisches Mittel einen Lichtleiter
in Form einer Faser oder eines Faserbündels 52 zum Leiten
eines Teils des Lichtes auf, das aus dem mit der Oberfläche 54 des
behandelten Werkstückes 56 in
Berührung
kommenden Plasma 36 abgestrahlt wird. Der Lichtleiter 52 leitet
das aufgenommene Licht zum Spektrometer 50, wo es dann
spektral analysiert wird. Anstelle einer Faser oder eines Faserbündels kann
auch eine Linsenoptik vorgesehen sein. Jedoch ist der Einsatz einer
Faser bzw. eines Faserbündels
bevorzugt.
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Das
Spektrometer 54 ist mit Auswertemitteln 58 zum
Analysieren der gemessenen Intensitätsverteilung des Lichtes und
mit Kontrollmitteln zum Kontrollieren der Plasmabehandlung verbunden.
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Der
Lichtleiter 52 ist eingangsseitig auf den Oberflächenbereich
gerichtet, der mit dem Plasma 36 beaufschlagt ist. Dadurch
wird sichergestellt, dass genau der Bereich beobachtet wird, dessen
Grad an Plasmabehandlung bestimmt werden soll.
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Wie 2 zeigt,
kann der Lichtleiter 52 eingangsseitig mit einer Sammeloptik 60 versehen
sein, um den Erfassungsbereich zu vergrößern. Im dargestellten Beispiel
weist die Sammeloptik 60 zwei Linsen auf, jedoch ist die
Zahl der Linsen der Sammeloptik 60 nicht vorgegeben.
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1 zeigt,
dass der Lichtleiter 52 mit der den Plasmastrahl erzeugenden
Plasmadüse 10 über eine
Halterung 62 verbunden und somit seitlich an der Plasmadüse 10 befestigt
ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Beobachtung der Plasmabehandlung
immer auf den gleichen Raumwinkel unterhalb der Düsenöffnung 14 gerichtet
ist. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
hält die
Halterung 62 die Sammeloptik 60.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lichtleiter 52 in
einer innerhalb der Plasmadüse 10 angeordneten
Führung 64 angeordnet.
Die Führung 64 erstreckt
sich durch die gesamte Düsenanordnung
und besteht in bevorzugter Weise aus einem nicht leitenden Material,
beispielsweise aus Keramik. Die Führung 64 kann auch
kürzer
ausgebildet sein und beispielsweise innerhalb des Düsenrohres 12 enden.
Das Plasma wird somit um die Halterung 64 herum erzeugt,
ohne dass die Intensität des
Plasmas dadurch wesentlich eingeschränkt wird. Der besondere Vorteil
dieser Anordnung des Lichtleiters 52 ist, dass der Lichtleiter 52 axial
auf den Beaufschlagungsbereich des Plasmas 36 auf der Oberfläche 56 gerichtet
ist, unabhängig
davon in welchem Abstand die Oberfläche von der Plasmadüse angeordnet
ist.
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Die
innerhalb der Plasmadüse 10 angeordnete
Halterung 64 muss nicht zwingend axial ausgerichtet sein.
Wenn es die Anwendung erfordert, kann die Halterung 64 in
einer anderen Ausrichtung innerhalb des Düsenrohres 12 angeordnet
sein.
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Gemäß 4 ist
der Lichtleiter 52 mit Sammeloptik 60 wie beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ausgeführt, jedoch
ich mit dem rotierenden Düsenrohr 12 verbunden.
Die Darstellung in 4 soll verdeutlichen, dass die
Messung des Lichtes nicht nur kontinuierlich durchgeführt wird,
sondern auch in zeitlichen Abständen
erfolgen kann. Denn die Drehbewegung der rotierenden Düsenrohres 12 bzw.
des rotierenden Mundstückes 84 ist
so schnell, dass es bevorzugt ist, die Optik nicht mitzuführen. Daher
beobachtet der Lichtleiter 52 mit der Sammeloptik 60 einen
Bereich der Oberfläche,
der bei jedem Umlauf der Rotation einmal durchlaufen wird. Das Messsignal
ist also ein periodisches Signal. Die Messung der Lichtintensität erfolgt
dann bevorzugt nur in dem Zeitintervall der Rotation, in dem der
Plasmastrahl 36 den beobachteten Bereich der Oberfläche durchläuft. Durch
eine einzelne Messung bzw. bevorzugt durch Aufsummieren einer Mehrzahl
von Messungen kann dann ein aussagekräftiges Spektrum gewonnen werden.
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Zuvor
ist anhand von vier Ausführungsbeispielen
die Anordnung eines Lichtleiters 52 beschrieben worden.
Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung von nur einem Lichtleiter 52 beschränkt, denn
es können
auch mehrere Lichtleiter oder Lichtleiterbündel eingesetzt werden, um
das zu analysierende Licht einzusammeln.
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3 zeigt
darüber
hinaus, dass ein Laser 66 zum Anregen eines Teils des Plasmas
vorgesehen ist. Der Laser 66 erzeugt einen Laserstrahl 67 mit einer
definierten Wellenlänge,
um eine gezielte Anregung eines der Stoffe im Plasmastrahl – über die
bereits im Plasmastrahl vorhandene Anregung hinaus – zu erzielen.
Der Laserstrahl 67 ist in 3 leicht
aufgeweitet dargestellt um anzudeuten, dass der Laserstrahl 67 ein
ausreichend großes
Volumen innerhalb des zu untersuchenden Plasmas durchstrahlt. Die durch
das Laserlicht in den Atomen oder Molekülen des zu untersuchenden Stoffes
hervorgerufene laserinduzierte Fluoreszenz kann dann gezielt bei
der Analyse des gemessenen Spektrums ausgenutzt werden. Anstelle
eines Lasers können
auch andere Mittel zur Anregung eingesetzt werden. Beispielsweise
können
Mikrowellenanregungen oder UV-Licht-Anregungen eingesetzt werden.
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Zuvor
ist das Spektrometer 50 derart beschrieben worden, dass
ein das Licht beugendes oder brechendes Element, beispielsweise
ein Beugungsgitter vorhanden ist. Dieser Aufbau kann alternativ
durch zwei verschiedene Farbfilter ersetzt werden, hinter denen
jeweils ein lichtempfindliches Element, beispielsweise eine Photodiode
angeordnet ist. Ein Filter weist eine ggf. schmalbandige Durchlasscharakteristik
auf, die das Licht der zu beobachtenden Strahlung durchlässt, während der
andere Filter bevorzugt das Licht einer Referenzlinie oder Referenzbande
durchlässt.
Denn es ist in der Regel nicht erforderlich, das gesamte Spektrum
aufzunehmen, sondern es reicht dagegen aus, die lediglich interessierenden
Wellenlängenbereiche
zu beobachten. Der dafür
erforderliche Aufbau ist kompakter als bei der Anwendung eines Beugungsgitters.
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Ein
Aufbau des Spektrometers mit nur einem Farbfilter ist ebenso möglich. Beispielsweise
kann das asymptotische Verhalten der Intensität auch nur damit bestimmt werden,
dass die Intensität
des durch den einen Farbfilter durchgelassenen Lichtes im interessierenden
Wellenlängenbereich
bestimmt und ausgewertet wird.
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Als
Filter für
den zuvor genannten Aufbau kommen vor allem Bandfilter in Frage,
die Licht nur mit Wellenlängen
durchlassen, die zwischen zwei Grenzwellenlängen liegen. Andersfarbiges
Licht wird oberhalb und unterhalb der Grenzwellenlängen nicht durchgelassen.
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Unter
einem Spektroskop im Rahmen dieser Beschreibung ist also jede Vorrichtung
zu verstehen, die eine spektrale Analyse des beobachteten Lichtes in
mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ermöglicht.
Ein Beugungsgitter, das ein weit verbreitetes Bauteil eines Spektroskopes
ist, ist nicht erforderlich.
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1 zeigt
weiterhin, dass Anzeigemittel 68 zum Anzeigen eines Kontrollsignals
vorgesehen sind, die mit an der Plasmadüse 10 angeordneten Leuchtdioden 69 versehen
sind. Dadurch ist es möglich
ein optisches Signal zuerzeugen, das anzeigt, ob die Plasmabehandlung
der Oberfläche
beendet werden soll oder nicht. Beispielsweise kann die Ansteuerung
einer roten Leuchtdiode anzeigen, dass die Oberflächebehandlung
noch nicht abgeschlossen ist, und eine grüne Leuchtdiode kann anzeigen,
dass die Behandlung des gerade behandelten Oberflächenabschnittes
fertig gestellt ist.
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2 und 4 zeigen,
dass die Kontrollmittel 58 mit Steuermitteln 70 verbunden
sind, die eine automatische Bewegung der Plasmadüse 10 relativ zum
Werkstück 56 steuert.
In Abhängigkeit
vom Kontrollsignal der Kontrollmittel 58 kann somit der Bewegungsantrieb
(nicht dargestellt) der Plasmadüse 10 gesteuert
werden. Insbesondere können
die Antriebsmittel in ihrer Verstellgeschwindigkeit beeinflusst
werden.
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3 zeigt
schließlich,
dass die Kontrollmittel 58 mit einer Kontrollvorrichtung 72 mit
einem Display 74 verbunden ist. Somit können über eine binäre Information
mittels der beiden Leuchtdioden 69 hinaus detailliertere
Informationen dargestellt werden. Beispielsweise könnte mit
Hilfe einer Balkendarstellung die Entwicklung der Plasmabehandlung
im aktuell behandelten Bereich der Oberfläche dargestellt werden.
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Die
Plasmabehandlung kann zum einen so durchgeführt werden, dass Überschläge der in
der Plasmadüse
erzeugten Entladungen auf die Werkstückoberfläche vermieden werden, um eine
Beschädigung
einer empfindlichen Oberfläche
zu vermeiden. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes potentialfreies
Plasma. Zum anderen kann ein elektrisch leitendes Werkstück geerdet
werden, so dass gezielt elektrische Entladungen auf das Werkstück herüber gezogen
werden. Wenn es dadurch nicht zu einer ungewollten Beeinflussung
der Oberfläche 54 kommt,
können
höhere
Bearbeitungsgeschwindigkeiten und gleichzeitig deutlich größere Lichtintensitäten erreicht
werden.
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In
den 5 bis 8 sind Versuchsergebnisse dargestellt,
die eine Detektion von Silizium-Emissionen zum Gegenstand haben,
die sich durch eine Verunreinigung der Oberfläche durch Silikone und deren
Abtragen durch die Plasmabehandlung ergeben. In Abhängigkeit
vom Abreinigungserfolg wurden die unterschiedlichen Emissionenintensitäten untersucht.
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Die
Siliziumatome weisen ein Emissionsspektrum auf, das unter anderem
Spektrallinien bei Wellenlängen
von 251 nm und 288 nm aufweist. Die Spektrallinien liegen also im
Ultraviolettbereich des Spektrums.
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In
den 4 und 5 sind die optischen Emissionsspektren
(Emission in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
in nm) in unterschiedlicher Intensitätsskalierung dargestellt. Die
Spektren sind während
einer Plasmabehandlung eines Kunststoffpaneels mit siliziumhaltigen
Rückständen auf
der Oberfläche
aufgenommen worden. Mit den mit a und b bezeichneten Linien sind
die Emissionswellenlängen des
Siliziums bei 251 und 288 nm gekennzeichnet.
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Von
unten nach oben sind jeweils fünf
Spektren des Paneels bei mehrmaliger Behandlung gezeigt. Zu diesem
Zweck wurde die gleiche Strecke auf dem Paneel fünf Mal nacheinander abgefahren. Auf
diese Weise wurde der reinigende Einfluss des Plasmas auf die Oberfläche untersucht
und in wie weit sich dieses auf die Emissionsspektren auswirkte.
In 4 und 5 ist jeweils die Anzahl der
Behandlungen rechts durch Zahlen zwischen 1 und 5 angegeben.
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Insbesondere
aus der vergrößerten Darstellung
der 5 wird deutlich, dass die Intensität der Siliziumlinien
bei a und b in Abhängigkeit
von der Anzahl der Behandlungen asymptotisch abnimmt. Im Spektrum
der einfachen Behandlung sind die Linien noch deutlich zu erkennen,
während
nach 5 Behandlungen die Linien nicht mehr aus dem übrigen Spektrum
herausragen.
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6 und 7 zeigen
jeweils den Verlauf der Intensitäten
des optischen Spektrums bei der Wellenlänge 251 nm und 288 nm über fünf nacheinanderfolgende
Behandlungsschritten. Es ist ein deutlicher abnehmender Trend der
Intensität
zu erkennen, der sich asymptotisch einem Grenzwert bei einer Intensität von 100
Einheiten (7) bzw. bei ca. 60 Einheiten
(8) annähert.
Dieser Trend ist auf die Abnahme des Siliziumanteils auf der Oberfläche des
Paneels auf Grund der reinigenden Wirkung des Plasmas zurückzuführen. Der
asymptotische Verlauf führt
zu einer immer geringer werdenden Differenz zwischen jeweils zwei
aufeinander folgenden Messwerten. Liegt beispielsweise die Differenz
unterhalb eines Grenzwertes, so kann das zum Auslösen des Kontrollsignals
dienen um anzuzeigen, dass die Plasmabehandlung der Oberfläche in dem
behandelten Bereich abgeschlossen werden kann.
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Es
wurden darüber
hinaus Untersuchungen gleicher Art mit unterschiedlichen Behandlungsdauern
bzw. Behandlungsgeschwindigkeiten der einzelnen Plasmabehandlungen
durchgeführt.
Diese ergaben das zu erwartende Resultat, dass je langsamer und
somit intensiver die einzelnen Behandlungsschritte gewesen sind,
desto schneller die Intensität der
Siliziumlinien in den einzelnen aufeinander folgenden Spektren abnahm.
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Bei
einer Definition von Grenzwerten für die Differenzbildung oder
für die
asymptotischen Intensitäten
für die
Emissionen bei 251 nm und 288 nm kann somit eine Qualitätssicherung
bezüglich
der Reinigung von siliziumhaltigen Rückständen auf der Oberfläche erfolgen.
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Zuvor
ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand
eines Beispiels einer siliziumhaltigen Oberflächenverunreinigung erläutert worden.
Wenn andere Verunreinigungen wie Öle, Fette oder andere organische
Stoffe von der Oberfläche
abgereinigt werden sollen, dann müssen die gemessenen Spektren
anhand der für
diese Stoffe charakteristischen Spektrallinien oder Spektralbanden
ausgewertet werden.
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Wird
eine Plasmapolymerisationsbehandlung durchgeführt, so kann ein Stoff, der
aus dem Material des zu beschichtenden Werkstückes durch das Plasma herausgelöst wird,
zur Analyse herangezogen werden. Bei einer Oberflächenmodifikation wiederum
kann ein während
der Modifikation aus der Oberfläche
austretender Stoff zur Analyse herangezogen werden.
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Soll
dagegen nur die Oberfläche
analysiert und nicht behandelt, modifiziert oder beschichtet werden,
dann kann durch das Plasma ein Stoff oder können mehrere Stoffe aus dem
Material des Werkstückes
abgelöst
werden, die in ihrer Konzentration mittels des beschriebenen Verfahrens
bestimmt werden.
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Unabhängig von
den zuvor erläuterten
Ausführungsbeispielen
gilt für
alle Messungen, dass, da die Intensität des Plasmas selbst schwankt,
auch die Gesamtintensität
der optischen Emission schwankt. Daher werden in bevorzugter Weise
die relevanten zu beobachtenden Emissionslinien auf mindestens eine
weitere Referenzlinie bzw. Referenzbande bezogen, die sich nicht
auf Grund von Änderungen
an der Oberfläche ändert, so
dass der Einfluss von Schwankungen der optischen Gesamtintensität ausgeschaltet
werden kann.
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Welche
Referenzlinie bzw. Referenzbande für diesen Zweck geeignet ist,
muss in Abhängigkeit des
zu untersuchenden Gesamtsystems festgelegt werden, um so sicherzustellen,
dass Schwankungen in der Intensität dieser Referenzlinie bzw.
Referenzbande wirklich nur durch Prozessschwankungen und nicht durch Änderungen
in der Oberfläche
zustande kommen.