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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines
atmosphärischen, kalten Plasma-Jets mit reduzierter Zünd-
und Betriebsspannung zur Oberflächenbehandlung von Substraten.
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Plasma,
auch bekannt als der „vierte Aggregatszustand”,
entsteht, wenn man einem gasförmigen System kontinuierlich
Energie zuführt, bis sich eigenständig große
Mengen an freien Elektronen bilden. Dadurch werden in dem System
einige neutralen Atome oder Moleküle des Gases aktiviert,
um negativ geladene Elektronen, positiv oder negativ geladene Ionen
und andere Spezies zu entwickeln. Der hohe wirksame Energiehaushalt
von Plasmen erlaubt es, Anwendungsprozesse zu fahren, die während
der üblich bekannten Zustände von Materie schwierig
oder gar unmöglich sind. Insbesondere eignet sich „kaltes” Plasma,
bei dem die Neutralgastemperatur relativ gering ist und sich dabei
bevorzugt im Zimmertemperaturbereich bewegt, die Oberflächen
von thermisch empfindlichen Substraten zu behandeln bzw. diese chemisch-physikalisch
zu verändern.
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Unter
Oberflächenbehandlung wird in diesem Zusammenhang ein Prozess
verstanden, bei dem die Oberfläche eines Substrats mittels
Plasma konditioniert, aktiviert oder in sonstiger Weise durch das
Plasma modifiziert oder gereinigt wird. Erforderlich ist eine derartige
Oberflächenbehandlung mittels Plasma beispielsweise bei
vielen thermoplastischen Kunststoffen, aber auch bei anderen thermisch
sensiblen Substraten, deren Oberflächen eine sehr geringe
Oberflächenenergie aufweisen, so dass eine Benetzung mit
einer Flüssigkeit mit höherer Oberflächenspannung
erschwert wird. In Folge dessen kommt es zum Abperlen der Flüssigkeit
und somit auch zu einem schlechten Aufbau einer Verbundfestigkeit
wie z. B. zu Klebstoffen. Entscheidend für eine erfolgreiche
Oberflächenbehandlung ist es, die Oberflächen
von Substraten nicht ungewollt zu schädigen z. B. die Materialfestigkeit
oder Zähigkeit zu schwächen. Dabei muss verhindert
werden, dass die Oberfläche der Substrate auf Grund von
zu hohen thermischen Einwirkungen an- oder aufgeschmolzen wird oder
es zu sonstigen unbeabsichtigten chemischen Reaktionen kommt. Dazu
eignet sich insbesondere „kaltes” Plasma.
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Ein
unter Atmosphärendruck arbeitendes, gattungsgemäßes
Verfahren zur Erzeugung eines kalten Plasma-Jets unter Zuhilfenahme
einer Bogenentladung ist aus der europäischen Patentanmeldung
EP 0 761 415 A1 bekannt.
Die Vorrichtung zur Erzeugung dieses Verfahrens weist ein Düsenrohr aus
dielektrischem Material auf, in dessen Innerem eine innere, stabförmige,
massive und spitz ausgebildete Stiftelektrode in Längsrichtung
sich erstreckend angeordnet ist. Der äußere Umfang
des Düsenrohres ist von einem Mantel aus elektrisch leitendem
Material umgeben, der an dem freien Ende des Düsenrohres
eine Ringelektrode bildet, indem das Düsenrohr umgriffen
wird, derart, dass der Durchmesser der Ringelektrode etwas kleiner
ist als der Innendurchmesser des Düsenrohres. Zur Erzeugung
des Plasmas wird die innere, stabförmige und spitz ausgebildete
Stiftelektrode auf hochfrequente Wechselspannung von 20 kHz und
10 bis 30 kV gelegt, während der äußere
Mantel und damit die Ringelektrode geerdet sind. Hierdurch kommt
es zu einer Bogenentladung und damit zu einer Zündung eines
Plasmas zwischen der Spitze der inneren, stabförmig ausgebildeten
Stiftelektrode einerseits und der Ringelektrode andererseits. Ausgeblasen
wird der entstandene Plasmastrahl durch ein Arbeitsgas, das mit
Hilfe eines geometrisch speziell definierten Anschlusses in das
Innere des Düsenrohres geführt wird und an dessen
freien Ende das Düsenrohres durch die Ringelektrode drallförmig
verlässt.
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Für
die Erzeugung der Bogenentladung sind bei der aus dem Stand der
Technik bekannten Vorrichtung die elektrischen Spannungsverhältnisse
sowie die anliegende Gasströmung innerhalb des Düsenrohres
verantwortlich. Die Intensität der Entladung wird zum einen
durch die Feldstärke, also dem Quotienten der Spannung
U und dem Abstand der Elektroden beeinflusst. Zum anderen kommt
es auf eine schnelle zeitliche Veränderung, also den Gradienten ΔU/Δt
an, dessen Wert sowohl wegen der hohen Frequenz als auch der hohen
angelegten Wechselspannung einen großen Wert annimmt. Dadurch erzeugen
die Spannungsverhältnisse innerhalb des Gasstroms Funkenentladungen
bzw. sogenannte Streamer, in der Form, dass die Entladung der bekannten
Vorrichtung fortwährend unterbrochen und damit instabil
wird. Dies ist bei der bekannten Vorrichtung notwendig, um die Temperaturen
im Plasma nicht über die Maßen ansteigen zu lassen
und in den Temperaturbereich der heißen Plasmen zu gelangen. Allerdings
wirkt sich die zwangweise erforderliche hohe Wechselspannung durch
ihre regelmäßigen Unterbrechungen nachteilig auf
eine wünschenswert kontinuierliche Behandlung mittels Plasma
aus.
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Weiterhin
ist bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung eine
Zündspannung von mehreren kV notwendig, um einen Lichtbogen zwischen
der mittig angeordneten Stiftelektrode und der davon räumlich
entfernten Ringelektrode zu erzeugen. Hat sich nach dem Zünden
ein Lichtbogen ausgebildet, sinkt die anliegende Spannung auf sehr viel niedrigere
Werte als die Zündspannung ab (Betriebsspannung). Die hohe
Spannung/Leistungen beim Zünden führen zu beträchtlichen
Vorschädigungen der Elektroden (Sputterverluste). Da auch
unter Betriebsbedingungen das Plasma immer wieder neu gezündet
wird, muss das Plasma in der Funkenstrecke hoch erhitzt sein, um
ein einfacheres Wiederzünden garantieren zu können.
Es wird also auch während des Betriebs eine annähernd
gleichbleibend hohe Leistung eingekoppelt. Dieses bedingt eine nicht
zu vernachlässigende Wärmeentwicklung im Innenraum
des Düsenrohres, die in der bekannten Vorrichtung rein
durch die Unterbrechung der Entladung abzubauen versucht wird. Trotzdem
wirkt sich diese während des Betriebs auf die Temperatur
des Plasmastrahls und damit auf die Temperatur der reaktiven, energiereichen,
freien Elektronen aus, aber auch auf die Temperatur der schwereren
Neutralgasteilchen im erzeugten Plasmastrahl. Für eine
effiziente Aktivierung mittels „kaltem” Plasma
ist es jedoch erstrebenswert, die Temperatur der schwereren Gasteilchen
so gering als möglich zu halten, da diese Teilchenspezies
wenig zum Aktivierungserfolg beitragen und nur unnötig
die thermischen Belastungen des zu behandelnden Substrates erhöhen.
Für eine effiziente Konditionierung thermisch sensibler
Substrate ist es jedoch, wie bereits erwähnt, wichtig,
die Temperaturen der schwereren Gasteilchen nur wenig ansteigen
zu lassen, um die thermischen Beanspruchungen während der
Plasmabehandlung so gering als möglich zu halten und dabei
trotzdem den gewünschten Behandlungseffekt gewährleisten
zu können.
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Weiterhin
verursacht die hohe eingekoppelte Leistung zur Plasmaerzeugung bei
dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein Absputtern
von Atomen aus der spitz und massiv ausgebildeten Stiftelektrode.
Hierdurch ist dieses Verfahren ungeeignet für den Einsatz
in reinraumähnlichen Umgebungen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung zur
Erzeugung eines Plasma-Jets der eingangs genannten Art bereit zu stellen,
die trotz eingekoppelter Gleichspannung (nicht unterbrochene Entladung)
einen kalten, reaktiven und gleichmäßigen Plasmastrahl
bildet und bei der insbesondere keine Atome einer Elektrode abgesputtert
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets
mit den Merkmalen des ersten Patenanspruches gelöst. Die
Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei eine
im Inneren, an der geschlossenen Seite eines Entladungsrohres, mittig
angeordnete Hohlkathode auf, die in Zusammenwirkung mit mindestens einer
in der Innenwandung des Entladungsrohres vorgesehenen Stufenelektrode
und einer zusätzlich angebrachten äußeren
Ringelektrode ein Plasma erzeugt, derart, dass sich bei Anlegen
einer Gleichspannung zwischen der Hohlkathode und der äußeren
Ringelektrode eine voluminöse stufenweise Filamententladung
im Inneren des Entladungsrohres ausbildet, die durch ein Arbeitsgas
ausgeblasen wird.
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Durch
die Verwendung einer Hohlkathode anstelle einer Spitzelektrode entsteht
keine punktuelle Bogenentladung, sondern eine flächige,
brennflecklose Entladung auf dem inneren Radius der Hohlkehle, wodurch
ein Absputtern der Elektrode wirkungsvoll vermieden wird. Der Einsatz
von Stufenelektroden mit definiertem Lastwiderstand im Inneren des
Düsenrohres führt dazu, dass beim Zünden
zudem keine direkte Bogenentladung zu der äußeren Ringelektrode
aufgebaut wird, sondern eine stufenweise Plasmaentladung über
die einzelnen Stufenelektroden, bis hin zur äußeren
Ringelektrode. Da die Zündspannung über den Abstand
zwischen der Hohlkathode und der der äußeren Ringelektrode
am weitesten entfernten Stufenelektrode definiert ist, fällt diese
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung niedriger
aus als die Zündspannung üblicher Vorrichtungen,
die diese zusätzlichen Stufenelektroden nicht aufweisen
und bei denen die freie Weglänge zur äußeren
Ringelektrode damit länger ist. Unter bestimmten Umständen,
wie beispielsweise durch eine separate elektrische Beschaltung der
Stufenelektroden, gelangt man sogar zu einer Vorrichtung, bei der
die Zündspannung niedriger ausbildet ist als die Betriebsspannung.
Dafür müssen ein oder mehrere Schalter in der
leitenden Verbindung von dem Lastwiderstand zu den einzelnen Stufenelektroden
vorgesehen sein, der oder die allerdings nur beim ersten Durchzünden
des Plasmaerzeugers geschlossen wird bzw. werden. Während
des Betriebszustandes sind die einzelnen Schalter geöffnet
und die elektrisch leitende Verbindung zu dem Lastwiderstand damit
unterbrochen. Erfindungsgemäß bilden sich damit
bei der vorliegenden Erfindung durch Anlegen einer Gleichspannung
im Bereich von 2 kV bereits eine Vielzahl von Filamententladungen
im Inneren des Entladungsrohres aus, die zum Grundpotenzial der äußeren
Ringelektrode springen und mit Hilfe des Arbeitsgases als kaltes
Plasma ausgeblasen werden. Durch die Verwendung von Gleichspannung
erzeugt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen
stabileren Plasmastrahl, als es aus der aus dem Stand der Technik
bekannten Vorrichtung gelehrt wird.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an
der äußeren Seite des Entladungsrohres eine Gasströmungskammer
mit einem Einlass für eine getrennte Prozessgaszuführung
vorgesehen, die durch eine Zwangsführung des verwendeten
Prozessgases, an den Außenseiten der Stufenelektroden vorbei,
eine Kühlung derselbigen bewirkt. Zudem weist das Entladungsrohr
zwischen den Stufenelektroden und der äußeren
Ringelektrode eine Öffnung auf, über die das separate
Prozessgas aus der Gasströmungskammer in das Entladungsrohr
geleitet und der im Inneren des Entladungsrohres erzeugten Filamententladung
zugeführt wird. Da das separat zugeführte Prozessgas
erst im unteren Bereich, in unmittelbarer Nähe der abschließenden äußeren
Ringelektrode, in das Entladungsrohr eingeleitet wird, bewirkt dieses
eine wirksame Kühlung der äußeren Ringelektrode.
Die gezielte Kühlung der beiden Elektroden und damit einhergehend
eine gezielte Beeinflussung des erzeugten Plasmastrahls ermöglicht
es, die vorliegende Erfindung mit Gleichspannung zu betreiben, ohne
dabei in den nicht erwünschten Bereich der thermischen
Plasmen zu gelangen. Neben der Kühlung der Elektroden durch
die separate Gaszuführung ist damit auch eine getrennte Regelung
der Prozessparameter (Elektrodentemperatur, Strömungsgeschwindigkeit)
im Bereich der Hohlkathode und der äußeren Ringelektrode
möglich, da sowohl der Gasvolumenstrom als auch die zu verwendende
Gasart separat steuerbar sind. Damit ist die vorliegende Erfindung
in ihren Einsatzmöglichkeiten variabler und vielfältiger,
als die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung.
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Die
Erfindung soll nachstehend an Hand von Zeichnungen beispielhaft
noch näher erläutert werden.
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Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung eines Plasma-Jets
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2 eine
bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung eines Plasma-Jets mit zusätzlichem Gasströmungskammer
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3 eine
weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit separat beschaltbaren Stufenelektroden.
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Nachstehend
soll die in 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung eines Plasma-Jets näher erläutert
werden. Sie zeigt einen Plasma-Jet mit einem Entladungsrohr 1 aus
dielektrischem Material, in dessen Innerem eine zentrale, als Hohlkathode
ausgebildete Mittelelektrode 2 angeordnet ist, die gleichzeitig
eine vertikale Mittelachse verkörpert. In der Wandung des
Entladungsrohres 1 sind weitere, als Stufenelektroden 3 ausgebildete
Gegenelektroden eingebettet, die gegenseitig isoliert sind, derart,
dass sie nur auf der der vertikalen Mittelachse zugewandten Seite
eine nicht durch ein Dielektrikum umschlossene Fläche aufweisen.
Die Anzahl der verwendeten Stufenelektroden 3 ist variierend
und ausdrücklich nicht auf die abgebildete Menge von vier beschränkt.
Erfindungsgemäß muss jedoch mindestens eine Stufenelektrode 3 im
Inneren des Entladungsrohres vorgesehen sein. Diese Stufenelektroden 3 stehen
zudem über eine elektrisch leitende Verbindung 4 mit
einem definierten Widerstand 5 in Kontakt, wobei in diese
leitende Verbindung 4 ein mechanischer oder auch elektronischer
Schalter 12 eingeschleift ist. In Längsrichtung
beabstandet von den Stufenelektroden 3 ist eine weitere,
als äußere Ringelektrode 6 ausgebildete
Gegenelektrode vorgesehen. Auch die äußere Ringelektrode 6 ist
mit wenigstens einer in das Innere des Entladungsrohres 1 ausgerichteten
und leitenden Fläche in dem Entladungsrohr 1 eingebettet
und bildet zusammen mit dem Entladungsrohr 1, der zentralen
Mittelelektrode 2 und den Stufenelektroden 3 einen
radialen Aufbau mit einer offenen Stirnseite, an der der Plasmastrahl 7 erzeugt
wird. Für eine Zündung des Plasma-Jets wird die
zentrale Hohlkathode 2 mittels einer Spannungsquelle 8 auf
Hochspannung gelegt, während die äußere
Ringelektrode 6 geerdet ist. Durch die erfindungsgemäß zusätzlich
vorgesehenen Stufenelektroden 3 in der Wandung des Entladungsrohres 1 breitet
sich bereits bei einer Zündspannung von weniger als 2 kV
eine stufenweise voluminöse Filamententladung 9 im
Inneren des Entladungsrohres 1 aus. Die Filamententladung
springt dabei von der Hohlkathode 2 beginnend, auf die
der äußeren Ringelektrode 6 am weitesten
entfernte Stufenelektrode 3 und von dort stufenweise über
die einzelnen Stufenelektroden 3, bis hin zur äußeren
Ringelektrode 6. Die Vielzahl von Filamententladungen entstehen,
da die Entladungen grundsätzlich den Weg zum Grundpotenzial
der äußeren Ringelektrode 6 suchen und
sich dabei eine indirekte Entladungsbrücke ausbildet. Hierfür
muss jedoch zudem der Lastwiderstand 5 derart bemessen
werden, dass dieser größer ist als der durch die
freie Weglänge zwischen der Hohlkathode 2 und
der äußeren Ringelektrode 6 definierte Widerstand
der Zündspannung. Das für eine Entladung notwendige
Arbeitsgas wird über eine Gaseintrittsöffnung 11 in
das Entladungsrohr 1 eingeleitet, strömt in Pfeilrichtung
an der als Hohlkathode ausgebildeten Mittelelektrode 2 vorbei
und verlässt das Entladungsrohr 1 in Form eines
Plasmastrahls 7 durch eine Plasmadüse 10,
die eine Gasaustrittsöffnung bildet.
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Die
Plasmadüse zur Beschleunigung des austretenden Plasmaströmung
kann auch die Aufgabe der Ringelektrode übernehmen.
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In 2 ist
eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung eines Plasma-Jets gezeigt, die sich von der bereits
beschriebenen Vorrichtung durch eine zusätzliche Gasströmungskammer 21 unterscheidet.
Die Innenwandung 22 der Gasströmungskammer 21 ist
dabei entlang der äußeren Wandung des Entladungsrohres 1, dieses
form- und kontaktschlüssig umschließend, angeordnet
und besteht besonders bevorzugt aus dielektrischem Material. In
einem radialen Abstand dazu befindet sich eine ebenfalls dielektrische
Außenwandung 23, so dass sich zwischen der Innen-
und Außenwandung die Gasströmungskammer 21 ausbildet. Über
eine Gaseintrittsöffnung 24 ist der Gasströmungskammer 21 ein
Gas oder Gasgemisch zuführbar, das mittels Zwangsführung
an den Stufenelektroden 3 vorbei, eine Kühlung
derselbigen bewirkt. Zudem weist das Entladungsrohr 1 in
dieser Ausführungsform, zwischen den Stufenelektroden 3 und
der äußeren Ringelektrode 6, eine Gasaustrittsöffnung 25 auf, über
die das separate Prozessgas aus der Gasströmungskammer 21 in
das Entladungsrohr 1 geleitet und der im Inneren des Entladungsrohres 1 erzeugten
Filamententladung 9 zugeführt wird. Da das separat
zugeführte Prozessgas erst im unteren Bereich, in unmittelbarer
Nähe der abschließenden äußeren
Ringelektrode 6, in das Entladungsrohr 1 eingeleitet
wird, bewirkt dieses eine Kühlung der äußeren
Ringelektrode 6. Weiterhin wird durch die zusätzliche
Gasströmungskammer 21 auch eine getrennte Regelung
der Prozessparameter im Bereich der Hohlkathode 2 und der äußeren
Ringelektrode 6 ermöglicht, da sowohl der Gasvolumenstrom
als auch die zu verwendende Gasart separat steuerbar sind.
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3 zeigt
eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform,
bei der jede der Stufenelektroden 3 über einen
separaten Schalter 12a bis 12d mit dem Lastwiderstand 5 in
Verbindung steht. Damit ist abweichend zu 1 jede der
Stufenelektroden 3 für sich gesehen separat zu-
oder abschaltbar. Auch diese Lösung ermöglicht
eine gezielte stufenweise Führung der voluminösen
Filamententladung 9 über die einzelnen Stufenelektroden 3,
bis hin zur äußeren Gegenelektrode 6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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