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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für CVD- Behandlungen,
insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren für CVD-Behandlungen mit
CVD-Reaktoren.
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Kunststoffhohlbehälter, wie
etwa Plastikflaschen weisen zumeist eine für den gedachten Verwendungszweck
nicht ausreichende Barrierewirkung für Gase auf. Beispielsweise
können
Gase wie Kohlendioxid aus dem Behälter hinaus- oder in diesen
hineindiffundieren. Dieser Effekt ist zumeist unerwünscht. Unter
anderem führt
dieser Effekt zu einer Verkürzung
der Haltbarkeit von in diesen Behältern gelagerten Getränken.
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Um
diese Nachteile bei Kunststoffgefäßen mit ihren ansonsten vielfältigen Vorzügen, wie
niedriges Gewicht und Stabilität
gegenüber
mechanischer Schockeinwirkung zu beseitigen, sind Techniken zum Aufbringen
von Barriereschichten, beziehungsweise Diffusionssperrschichten
entwickelt worden.
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Eine
besonders effektive und kostengünstige Technologie
für das
Aufbringen solcher Schichten ist die chemische Dampfphasenabscheidung
(CVD). Bei den CVD-Verfahren geschieht die Abscheidung einer Schicht über ein
reaktives chemisches Gasgemisch, welche die zu beschichtende Oberfläche umgibt.
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Aus
Gemischen verschiedener Gase läßt sich
so eine nahezu unbegrenzte Vielfalt möglicher Schichten erzeugen.
Als Diffusionsbarrieren haben sich dabei unter anderem Oxidschichten,
wie etwa SiO2-Schichten bewährt.
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Ein
chemisch reaktives Gasgemisch kann für die CVD-Beschichtung thermisch oder durch Ionisation
der Prozeßgase
durch Eintrag von Energie erzeugt werden. Da Kunststoffe in der
Regel thermisch nicht ausreichend stabil sind oder niedrige Erweichungspunkte
aufweisen, ist für
die Beschichtung von Kunstoffoberflächen CVD-Beschichtung unter Temperatureinwirkung
ungeeignet. Hier bietet sich jedoch die Möglichkeit der Plasmaunterstützten CVD-Beschichtung
(PECVD) an. Da auch hier durch das Plasma eine Erwärmung der
zu beschichtenden Oberfläche
auftritt ist insbesondere die Plasmaimpuls-induzierte CVD-Beschichtung
(PICVD) geeignet.
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Um
ein solches Verfahren industriell einsetzen zu können, werden aufgrund der Prozeßzeiten eine
Vielzahl von Kammern benötigt,
in denen gleichzeitig oder zeitlich versetzt eine Beschichtung durchgeführt wird.
Da PICVD-Beschichtungen unter Niederdruckbedingungen durchgeführt werden,
ergibt sich dabei das Problem, die zu beschichtenden Werkstücke, wie
etwa Kunststoffhohlkörper
in die Beschichtungsbereiche zu schleusen und diese zu evakuieren.
Dazu wird der Beschichtungsreaktor von oben geöffnet und bestückt, wie
beispielsweise in der
US 6,328,805 offenbart
oder von unten geöffnet
und bestückt,
wie beispielsweise in der
US
5,849,366 offenbart. Die Bewegungsführung erfolgt üblicherweise über Steuerkurven.
Die Bestückung
dieser Reaktoren ist jedoch kompliziert und zeitaufwendig.
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Darüber hinaus
ist es bei Hohlkörpern
oft sinnvoll, entweder nur die Innenwand oder Außenwand zu beschichten, oder
auf Innen- und Außenwand
jeweils unterschiedliche Beschichtungen aufzubringen, so dass der
Innenraum des Hohlkörpers und
die Umgebung mit unterschiedlichen Prozeßgasen aufgefüllt werden
muß.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ein- und Ausschleusung
von Werkstücken
für deren
CVD-Behandlung in
Reaktoren zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend
einfacher Weise durch eine Vorrichtung zum CVD-Behandeln von Werkstücken gemäß Anspruch
1, sowie ein Verfahren zum CVD-Behandeln von Werkstücken gemäß Anspruch
12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Demgemäß umfaßt eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Transporteinrichtung und zumindest einen auf der Transporteinrichtung
befestigten Reaktor, in welchem die CVD-Behandlung vorgenommen wird,
wobei die Vorrichtung zumindest eine mechanische Steuerkurve und
der Reaktor eine Einrichtung zum Öffnen und Schließen aufweisen,
welche mit der zumindest einen Steuerkurve betätigt wird.
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Das
CVD-Behandeln kann dabei außer
dem Beschichten auch eine andere Oberflächenbehandlung, wie etwa die
Oberflächenaktivierung
in der Dampfphase umfassen.
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In
einfacher Weise läßt sich
dabei das Öffnen und
Schließen
des Reaktors automatisieren, da die Einrichtung zum Öffnen und
Schließen
des Reaktors durch Vorbeibewegen des Reaktors an der Steuerkurve
betätigt
wird.
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Der
Reaktor umfaßt
einen ersten und einen zweiten Teil, wobei die Teile eine Reaktorkammer umschließen.
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Der
erste Teil ist mit der Transporteinrichtung und der zweite Teil
mit der Einrichtung zum Öffnen und
Schließen
verbunden. Die zweiteilige Ausführung
der Reaktoren erlaubt eine weite Öffnung zur Reaktorkammer und
damit ein leichtes Einsetzen und Herausnehmen der zu beschichtenden
Werkstücke.
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Dies
läßt sich
insbesondere dadurch erreichen, dass die Steuerkurve so angeordnet
ist, dass die Einrichtung zum Öffnen
und Schließen
den zweiten Teil beim Öffnen
zunächst
in einer ersten Bewegung vom ersten Teil weg und dann in einer zur
ersten Bewegung im wesentlichen senkrechten zweiten Bewegung am
ersten Teil vorbei bewegt wird.
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Eine
besonders einfache Dichtung der beiden Teile läßt sich mit einer ebene Dichtfläche zwischen
erstem und zweiten Teil erreichen.
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Mit
Vorteil können
Rundläufer-
und/oder Langläufervorrichtungen
für den
Transport der Reaktoren, beziehungsweise der darin zu beschichtenden Werkstücke benutzt
werden.
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Der
Kontakt der Einrichtung zum Öffnen
und Schließen
mit der mechanischen Steuerkurve kann beispielsweise über an der
Einrichtung befestigte Kurvenrollen hergestellt werden, so dass
die Kurvenrollen auf der Steuerkurve entlangrollen. Auf diese Weise
werden Reibungskräfte
beim Vorbeibewegen des Reaktors an der Steuerkurve vermieden.
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Der
Reaktor kann ein für
elektromagnetische Wellen, insbesondere für Mikrowellen durchlässiges Fenster
aufweisen. Dadurch können
die elektromagnetischen Wellen für
die Plasmaerzeugung außerhalb
des Reaktors erzeugt werden, so dass auf einen aufwendigen mit dem
Reaktor mitgeführten
Feldapplikator verzichtet werden kann.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn der Reaktor eine Einrichtung zum Evakuieren
aufweist. Dadurch kann die Reaktorkammer separat abgepumpt werden
und es ist nicht notwendig, die gesamte Vorrichtung zu evakuieren,
um den für
das Plasma erforderlichen Niederdruck bereitzustellen. Außerdem kann
eine Einrichtung zum Einspeisen eines Prozeßgases vorhanden sein, um die
Reaktorkammer mit dem Prozeßgas
zu befüllen.
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Insbesondere
kann der Reaktor mit einer Gaslanze zum Einspeisen eines Prozeßgases ausgestattet
sein. Mit einer Gaslanze lassen sich beispielsweise die Innenräume von
Kunststoffhohlkörpern
schnell mit einem Prozeßgas
beschicken.
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Um
die Werkstücke
in den Reaktor und aus diesem heraus zu befördern, kann die Vorrichtung zum
CVD-Behandeln vorteilhaft mit Zuteilrädern ausgestattet sein. Diese
ermöglichen
auf einfache Weise einen kontinuierlichen Produktionsprozeß ohne eine aufwendige
Mechanik.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt es auch, ein Verfahren zum CVD-Behandeln
von Werkstücken
in einem auf einer Transporteinrichtung befestigten Reaktor anzugeben,
welches sich durch einen besonders einfachen Ein- und Ausschleusungsvorgang auszeichnet.
Erfindungsgemäß umfaßt das Verfahren
dazu die Schritte des Einfügens
des Werkstücks in
den Reaktor, des Evakuierens zumindest eines Bereiches der Reaktorkammer,
des Einfüllens
eines Prozeßgases,
des Erzeugens eines Plasmas und des Herausnehmens des Werkstücks, wobei
das Öffnen
und/oder Schließen
des Reaktors mittels einer daran befestigten Einrichtung durch Vorbeibewegen an
einer mechanischen Steuerkurve bewirkt wird.
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Vorteilhaft
kann dabei der Schritt des Erzeugens eines Plasmas den Schritt des
Einstrahlens von elektromagnetischen Wellen umfassen. Insbesondere
ist das Einstrahlen von gepulsten elektromagnetischen Wellen günstig, womit
durch das gepulste Plasma in der Umgebung der zu beschichtenden
Flächen
des Werkstücks
eine PICVD-Behandlung
der Werkstücke
erzielt wird. Durch Einstrahlung von Mikrowellen kann außerdem eine
hohe Strahlungsleistung vom Plasma absorbiert werden.
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Um
eine große Öffnung der
Reaktorkammer für
das Ein- und Ausschleusen zu erreichen, umfasst der Reaktor zumindest
zwei Teile, welche beim Schließen
und/oder Öffnen
des Reaktors aneinander vorbei und aufeinander zu bzw. voneinander
weg bewegt werden.
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Ein
Einführen
und Herausführen
der Werkstücke
mittels Zuteilräder
ist für
einen kontinuierlichen Beschichtungsablauf von Vorteil.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch für
die CVD-Behandlung
von Hohlkörpern,
wie etwa Flaschen eingesetzt werden. Zur Beschichtung von Hohlkörpern kann
der Schritt des Evakuierens zumindest eines Teils der Reaktorkammer
den Schritt des Evakuierens des vom Hohlkörper umschlossenen Volumens
umfassen. Insbesondere für
Innenbeschichtungen kann dazu ein Prozeßgas in das vom Hohlkörper umschlossene
Volumen eingefüllt
werden. Der Verfahrensschritt des Erzeugens eines Plasmas in dem
vom Hohlkörper
umschlossenen Volumen sorgt schließlich für die Innenbehandlung der Hohlkörper.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert Dabei
beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
Teile.
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Es
zeigen:
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1 eine teilweise Querschnittsansicht durch
eine Ausführungsform
eines Reaktors,
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2 eine Aufsicht auf den
Reaktor, und
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3A bis 3D Illustrationen verschiedener Phasen
des Ein- und Ausschleusens
von Werkstücken
in den Reaktor.
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In 1 ist eine teilweise Querschnittsansicht
durch eine Ausführungsform
eines Reaktors für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur CVD-Behandlung von Werkstücken
dargestellt. Dieser Reaktor ist speziell für die Behandlung von Hohlkörpern, insbesondere
von Kunststoffhohlkörpern,
wie etwa Kunststoffflaschen ausgelegt. Der im ganzen mit 3 bezeichnete
Reaktor umfaßt
zwei Teile 5 und 7, welche eine Reaktorkammer 9 umschließen. Die
Reaktorkammer 9 ist mittels einer Dichtung 8 zwischen den
beiden Teilen 5 und 7 gegen die Umgebung abgedichtet.
Die Dichtfläche
zwischen den beiden Teilen 5 und 7 ist dabei eine
ebene Fläche.
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Am
Teil 7 befestigt ist eine Einrichtung 13 zum Öffnen und
Schließen
des Reaktors. Diese Einrichtung 13 umfaßt einen Ausleger, an welchem
Kurvenrollen 171, 172, 173 befestigt
sind, welche eine Steuerkurve 15, die an der Vorrichtung
zum CVD-Behandeln angebacht ist, umgreifen. Dadurch können die
Kurvenrollen 171, 172, 173 dem Verlauf
der Steuerkurve 15 folgend sowohl eine Bewegung des zweiten
Teils 7 vom ersten weg, als auch senkrecht dazu an diesem
vorbei vermitteln.
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Eine
Aufnahme 19 dient zur Fixierung der zu beschichtenden Kunststofflasche 11 und
dichtet den Innenraum der Flasche 11 zum Restvolumen der
Reaktorkammer 9 hin ab.
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Im
ersten Teil 5 des Reaktors 3 befindet sich ein
Kanal 21, welcher an eine Pumpvorrichtung angeschlossen
ist und als Einrichtung zum Evakuieren der Reaktorkammer 9 dient.
Beispielsweise kann der Kanal 21 im Falle einer Rundläufervorrichtung über eine
im Zentrum der Rundläufervorrichtung
befindliche Vakuumdrehdurchführung
an eine Vakuumpumpe angeschlossen sein.
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Mit
dieser Ausführungsform
der Vorrichtung zum CVD-Beschichten
können
Kunststoffhohlkörper sowohl
außen,
als auch an deren Innenwänden
beschichtet werden. Dazu befindet sich am Reaktor 3 noch
eine Gaslanze 23, welche ein geeignetes Prozeßgas in
den Innenraum der Flasche 11 leiten kann. Die Gaslanze 23 ist
an einer Hubvorrichtung 25 befestigt, so dass die Lanze 23 in
die Flasche 11 hineinbewegt werden kann, wenn die Flasche 11 in
der Aufnahme 19 befestigt ist und vor dem Herausnehmen der
Flasche 11 wieder aus dem Innenraum der Flasche 11 herausgefahren
werden kann. Die Gaslanze 23 kann dazu pneumatisch oder
ebenfalls über
eine Steuerkurve angetrieben werden. Mit einer Dichtung 27 wird
der Zuführungskanal 29 gegenüber der
Umgebung abgedichtet. Die Dichtung 27 kann dazu als Radial-
oder Axialdichtung ausgeführt
sein. Die Gaslanze 23 ist über einen Anschlußstutzen 29 mit
einer Gaszuführung
verbunden.
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Nachdem
die Reaktorkammer 9 evakuiert und die Prozeßgase in
die Kammer 9 eingelassen wurden, wird mittels Einwirkung
von Mikrowellen in der Kammer 9 ein Plasma erzeugt. Die
Gaszusammensetzung kann außerhalb
und innerhalb der Flasche 11, beziehungsweise des Kunststoffhohlkörpers unterschiedlich
sein. Beispielsweise kann die Reaktorkammer 9 weitgehend
evakuiert sein, so dass sich in dieser nur noch das verbleibende
Restgas befindet. Im Innenraum der Flasche 11, welcher
durch die Flaschenaufnahme gegenüber
dem Außenraum
abgedichtet ist, kann hingegen über
die Gaslanze 23 das Prozeßgas eingelassen werden. Auf
diese Weise kommt es unter Einwirkung von Mikrowellen nur zu einer
Plasmabildung im Inneren der Flasche 11, so dass auf diese
Weise nur eine Innenbeschichtung vorgenommen wird.
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Insbesondere
ist es möglich,
bei hinreichend stabilen Flaschen 11 auch nur den Innenraum
zu evakuieren, welcher dann anschließend über die Gaslanze 23 wieder
mit einem Prozeßgas
befüllt wird.
Die außerhalb
der Flasche 11 in der Reaktorkammer 9 vorhandene
hohe Gasdichte verhindert, dass die eingestrahlten Mikrowellen in
diesem Bereich ein Plasma erzeugen. Dadurch wird nur ein Plasma
im Innenraum der Flasche 11 erzeugt, was ebenfalls zu einer
Innenbeschichtung oder Innenbehandlung der Flasche 11 führt. Der
in 1 gezeigte Reaktor 3 ist
für diesen
Betriebsmodus ausgelegt, wenn der Kanal 21 über die
Aufnahme 19 nur mit der Flaschenöffnung in Verbindung steht.
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Die
Mikrowellen zur Erzeugung des Plasmas können beispielsweise über ein
für Mikrowellen transparentes
Fenster 30 eingekoppelt werden. Dies ermöglicht eine
Anordnung eines Feldapplikators außerhalb des Reaktors 3,
der somit nicht mit der Kammer mitgeführt werden muß, was die
Konstruktion der Vorrichtung zum CVD-Beschichten erheblich vereinfacht.
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In 2 ist eine Aufsicht auf
die Reaktorkammer 9 entlang der in 1 gezeigten Querschnittslinie A-A abgebildet.
Wie anhand von 2 erkennbar
ist, umschließen
die beiden Teile 5 und 7 eine im Querschnitt kreisförmige Reaktorkammer 9.
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Die
beiden Teile 5 und 7 sind außerdem mittels zweier im ganzen
mit 34, beziehungsweise 32 bezeichneten Führungen
beweglich miteinander verbunden. Die Führungen 34 und 32 umfassen
dabei jeweils fest mit dem Teil 7 verbundene Stifte 36,
welche in einem Block 38 geführt werden, so dass eine Bewegung
des Teils 7 entlang der Längsachse der Stifte relativ
zu Teil 5 ermöglicht
wird. Außerdem
werden die Blöcke 38 in
Führungsschienen 40 geführt, so
dass Teil 7 auch in einer zu den Längsachsen der Stifte 36 senkrechte
Bewegung von Teil 7 relativ zu Teil 5 verschoben
werden kann. Damit erlaubt die Führung
eine Bewegung der Kammerteile voneinander weg und aneinander vorbei.
Die Bewegung wird dabei über
die Einrichtung 13 zum Öffnen
und Schließen
von der mechanischen Steuerkurve 15 vermittelt.
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Der
in 2 dargestellte Abschnitt
der Steuerkurve 15 ist so geformt, dass bei Bewegung der Transporteinrichtung
und damit des mit dieser verbundenen Reaktors 3 in Richtung
des Pfeils eine Bewegung des Teils 7 weg vom Teil 5 vermittelt
wird, so dass die Reaktorkammer 9 geöffnet wird.
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Der
Ein- und Ausschleusevorgang von Werkstücken ist genauer anhand der 3A bis 3D erläutert. In diesem Beispiel wird
der Reaktor 3 ebenfalls zur Beschichtung von Kunststoffhohlkörpern, insbesondere
von Kunststoffflaschen verwendet. 3A zeigt
eine erste Phase des Einschleusens, bei welcher die Reaktorkammer 9 geöffnet ist
und eine Flasche 11 mittels eines Zuteilrades 42,
das um eine Achse 44 rotiert wird, in die Kammer 9 befördert wird. Die
Flasche 11 wird dann in die Aufnahme 19 eingesetzt.
Um die Flasche 11 in die Aufnahme 19 einsetzen
zu können,
ist während
dieses Prozeßabschnitts die
Gaslanze 23 aus der Reaktorkammer 9 herausgezogen.
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Nach
dem Einsetzen der Flasche 11 in die Flaschenaufnahme 19 wird,
wie anhand von 3B gezeigt
ist, die Gaslanze 23 in den Innenraum der zu beschichtenden
Flasche 11 hineingefahren.
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Über die
Steuerkurve 15 wird nach dem Einsetzen der Flasche 11 das
Teil 7 des Reaktors 3 zunächst entlang des Teils 5 des
Reaktors 3 bewegt und vor die Öffnung der Reaktorkammer 9 geschoben,
wie anhand von 3C dargestellt
ist.
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Schließlich wird,
wie in 3D gezeigt, mittels
einer zweiten Bewegung der Steuerkurve 15 der Teil 7 des
Reaktors 3 auf den Teil 5 des Reaktors 3 zu bewegt
und so die Öffnung
der Reaktorkammer 9 geschlossen. Die Kammer 9 und/oder
das Flascheninnere werden anschließend über eine an den Kanal 21 angeschlossene
Pumpvorrichtung evakuiert. Daraufhin kann das Prozeßgas über die
Gaslanze 23 eingelassen werden. Mikrowellen können durch
das Fenster 30 in die Kammer 9 eingestrahlt werden,
so dass das Prozeßgas
ein Plasma bildet und die Reaktionsprodukte die angrenzenden Wände beschichten.
In diesem Beispiel wird das Prozeßgas nur in das Flascheninnnere
geleitet, so dass es zu einer Innenbeschichtung der Flaschen 11,
beispielsweise als Diffusionsbarriere kommt.
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Anschließend an
die Beschichtung wird die Flasche 11 wieder ausgeschleust,
wozu die oben beschriebenen Schritte in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.