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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bearbeitung von
zylindrischen, zumindest eine elektrisch leitende Ader aufweisenden
Substraten gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Bearbeitung im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung bedeutet
beispielsweise Oberflächenmodifikation, Reinigung
oder Beschichtung des Substrates.
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Die
zu bearbeitenden Substrate sind beispielsweise blanke oder isolierte
Drähte,
Kabel, beschichtete und unbeschichtete Rohre sowie vergleichbare
langgestreckte, insbesondere endlose bzw. sehr lange Substrate.
Die Substrate können
relativ zu der Vorrichtung bewegt werden und kontinuierlich durch
den Prozessraum hindurchgeführt
werden. Eine kontinuierliche Bearbeitung des Substrates ist gewünscht, um
die Vorrichtung in einen Herstellungsprozess oder in einen Weiterverarbeitungsprozess
des Substrates mit einzubinden.
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Aus
der nachveröffentlichten
WO 02/36851 A1 sind
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von elektrisch
isolierenden Substraten, speziell Folien, bekannt. Das zu beschichtende
Substrat kann dabei unterschiedlich ausgebildet sein; in jedem Fall
ist die Oberflächenbehandlung auf
elektrisch isolierende Substrate begrenzt.
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Aus
der
DE 829 224 C ist
eine Vorrichtung zur Herstellung von Überzügen z. B. auf Drähten, bekannt.
Dazu wird ein Hohlkörper
vorgeschlagen, in welchem im Durchlaufverfahren die zu behandelnden
Teile eingebracht werden und dem die Reaktionsgase zugeführt werden.
Hierbei wird also ein leitendes Substrat direkt kontaktiert.
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Die
DE 100 11 275 A1 beschreibt
ein Verfahren zur homogenen Oberflächenaktivierung bahnförmiger metallischer
Werkstoffe oder bahnförmiger
polymerer Werkstoffe, wobei man ein durch ein Plasmatron erzeugtes
Plasma nutzt.
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Die
WO 99/15711 A1 beschreibt
die Plasmabeschichtung eines Substrats, das kontinuierlich in die
Beschichtungskammer ein- und ausgeführt wird. Das Plasma wird hierbei
durch einen Atmosphärendruck-Glimmentladung
erzeugt. Auch hierbei handelt es sich ausschließlich um nicht leitende Substrate, etwa
aus Plastik oder Zellulosematerial.
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In
der
EP 0 270 144 A1 ist
eine Vorrichtung zur Reinigung von zylindrischen, elektrisch leitenden Substraten
beschrieben. Eine Niederdruck-Entladung brennt zwischen dem elektrisch
leitenden Substrat und einer zu dem Substrat koaxial angeordneten
rohrförmigen
Außenelektrode.
Dabei spielt das Substrat die Rolle einer Kathode, um den Beschuss der
auf die Kathode beschleunigten Ionen zur Verstärkung des Abtragungsprozesses
zu nutzen.
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Auf ähnlichen
Prinzip beruht die in der
US 2001/0026781 B2 beschriebene Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1, von der die Erfindung ausgeht. Ein Nachteil dieser
Vorrichtung besteht darin, dass zur Erzeugung des Plasmas zwangsläufig eine
Vakuumkammer vorgesehen ist. Die Integration einer solchen Vorrichtung
in eine üblicherweise
unter Atmosphärendruck
betriebene Fertigungsstraße
erfordert jedoch komplizierte und kostspielige Vakuumschleusen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend von der zuletzt beschriebenen
Vorrichtung darin, die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 derart weiterzubilden, dass ein einfacherer Aufbau möglich wird.
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Die
allgemeine erfinderische Idee besteht darin, anstelle einer Gleichspannungs-Niederdruck-Glimmentladung, wie
sie die Vorrichtung gemäß der
US 2001/0026781 B2 verwendet,
eine dielektrisch behinderte Entladung in Form eines Atmosphärendruck-Niedertemperatur-Plasmas
vorzusehen. Hierzu wird zunächst
anstelle der im Stand der Technik verwendeten Gleichspannung eine
Wechselspannung angelegt. Weiterhin wird zwischen der Elektrode
und der leitenden Ader des Substrates, also beispielsweise der metallischen
Außenfläche eines
Drahtes, eine dielektrische Barriere angeordnet. Durch geeignete
Wahl der physikalischen Parameter, wie durch Anlegen einer Wechselspannung
einer bestimmten Frequenz, einer bestimmten Amplitude sowie durch
Zuführung
eines geeigneten Gases mit einer festgelegten Flussrate in den Prozessraum,
kann ein Niedertemperatur-Plasma, insbesondere ein Glimmentladungsplasma
gezündet
werden, welches unter Atmosphärendruck
stabil brennt und auf diese Weise das Substrat bearbeitet. Eine
besonders homogene Bearbeitung des Substrates wird möglich.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird
ein einfacher Aufbau einer entsprechenden Vorrichtung ermöglicht,
indem unter Atmosphärendruck
durch eine dielektrische Barriere hindurch als die das Substrat
selbst dient, ein Plasma erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß können Eintritts-
und Austrittsöffnungen
für den
Prozessraum vorgesehen werden, die einen im Verhältnis zu der Querschnittsfläche des
Substrates deutlich größeren Öffnungsquerschnitt
aufweisen. Da insbesondere bei den erfindungsgemäß zu bearbeitenden Substraten
hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten eine besondere Rolle spielen,
was bekanntlicherweise zu sehr hohen Vibrationen führt, kann
aufgrund des großen Übermaßes der
Eintritts- und Austrittsöffnungen
des Prozessraumes eine optimale Bearbeitung des Substrates erfolgen.
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Schließlich ermöglicht die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eine besonders effiziente Wirkungsweise, die zu geringen Stromverbräuchen führen kann.
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Durch
die Erzeugung eines Atmosphärendruck-Niedertemperatur-Plasmas können Beschädigungen
des Substrates, wie sie bei Lichtbogenentladungen entstehen, vermieden
werden. Da das Plasma unmittelbar an der Außenfläche des Substrates brennt,
und dieses in Umfangsrichtung vollständig umgibt, wird eine homogene
Bearbeitung und eine effiziente Leistungsausnutzung möglich.
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Unter
dem Begriff Atmosphärendruck-Niedertemperatur-Plasma
wird allgemein ein Plasma bezeichnet, welches in einem Druckbereich
zwischen mehreren 100 mbar und einigen bar brennt. Vorzugsweise
brennt das Plasma jedoch unter Atmosphärendruck, was eine besonders
unkomplizierte Einbindung der Vorrichtung in die Fertigungsstraße ermöglicht.
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Neben
einer Reinigung von beispielsweise Schweißdrähten, oder einer Steigerung
der Hydrophilie von den Außenseiten
von Kabeln für
eine bessere Bedruckbarkeit, können
auch Rohre mit oder ohne Isolier-Umhüllung bearbeitet werden. Auch
Profile, beispielweise Gummiprofile, die eine Metallader aufweisen
und Dichtprofile, die eine Metallseele aufweisen können, können mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bearbeitet werden.
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Die
Formulierung, wonach das Substrat zumindest eine elektrisch leitende
Ader aufweist, schließt
solche Substrate mit ein, die vollständig aus elektrisch leitendem
Material, also beispielsweise Metall, bestehen. Die Vorrichtung
dient jedoch auch der Bearbeitung solcher Substrate, bei denen eine metallische
Seele oder eine elektrisch leitende, insbesondere metallische Ader
von einer Isolier-Umhüllung aus
nicht elektrisch leitendem Material umgeben ist. Selbstverständlich ist
es auch vorstellbar, dass mehrere elektrisch leitende Adern parallel
zueinander nebeneinander verlaufen und von einer gemeinsamen Isolier-Umhüllung umgeben
sind. Schließlich kommen
auch Substrate nach Art von Koaxial-Kabeln in Betracht, bei denen
eine innere metallische Seele von einer metallischen Abschirmung
umgeben ist, die von der metallischen Seele durch eine Isolier-Umhüllung beabstandet
und ihrerseits von einer weiteren Isolier-Umhüllung umgeben ist.
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Als
zylindrische Substrate im Sinne der Erfindung werden langgestreckte,
im Querschnitt kompakte Substrate bezeichnet, die im Gegensatz zu
Folien oder Bahnen im Querschnitt im wesentlichen ballig ausgebildet
sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenfläche des
Substrates zumindest teilweise, insbesondere vollständig, von
einem elektrisch nicht leitenden Substrat gebildet. Bei dieser Ausgestaltung
der Erfindung besteht die Möglichkeit,
dass die dielektrische Barriere von der Außenfläche des Substrates bereitgestellt
wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umgreift die
Elektrode das Substrat in Umfangsrichtung unter Belassung des Prozessraumes
durch radiale Beabstandung. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung
wird eine besonders homogene Substratbearbeitung möglich. Die Elektrode
ist bei dieser Ausführungsform
ringförmig oder
rohrförmig
ausgebildet, und weist eine Innenumfangsfläche auf, die von der Außenumfangsfläche des
Substrates radial beabstandet ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektrode
im wesentlichen rohrförmig
ausgebildet, und koaxial zu dem Substrat angeordnet. Dies ermöglicht eine
einfache Bauweise.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die dielektrische
Barriere von einem Hohlkörper
aus elektrisch nicht leitendem Material gebildet, der das Substrat
in Umfangsrichtung im wesentlichen vollständig umgreift und der innerhalb
der Elektrode angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders homogene
Substratbearbeitung sowie eine besonders einfache Bauweise.
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Gemäß einer
weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind
zwei, axial voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen, wobei
die leitende Ader gegenüber
beiden Elektroden als Gegenelektrode fungiert. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung kann eine unmittelbare Kontaktierung der Außenseite
des Substrates entfallen, auch wenn die Außenseite des Substrates die leitende
Ader bereitstellt.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere
Vorteile erbeben sich aus den nicht zitierten Unteransprüchen sowie
anhand der nun folgenden Beschreibung mehrerer in den Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele.
Darin zeigen:
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1 schematisch,
im Längsschnitt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bearbeitung eines geerdeten nicht isolierten Drahtes,
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2 in
einer Darstellung gemäß 1 ein zweites
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bearbeitung eines kapazitiv geerdeten, isolierten Drahtes,
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3 in
einer Darstellung gemäß 1 ein drittes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bearbeitung eines Kabels mit kapazitiv geerdeter Abschirmung,
wobei die äußere Kabelisolierung
als dielektrische Barriere fungiert,
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4 in
einer Darstellung gemäß 1 ein viertes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bearbeitung z. B. eines isolierten Drahtes mit symmetrischer,
kapazitiver Leistungseinkopplung von zwei im wesentlichen identischen,
axial beabstandeten Elektroden, und
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5 in
einer Darstellung gemäß 1 ein fünftes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bearbeitung eines isolierten Drahtes mit symmetrischer, kapazitiver
Leistungseinkopplung von zwei im wesentlichen identischen, axial
beabstandeten Elektroden, wobei die Isolierschicht des Drahtes als
dielektrische Barriere fungiert.
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Die
in den Figuren insgesamt mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnete
Vorrichtung wird nachfolgende anhand der fünf unterschiedlichen Ausführungsbeispiele
erläutert.
Es wird dabei darauf hingewiesen, dass gleiche oder vergleichbare
Teile oder Elemente der Vorrichtung 30 der Einfachheit
halber mit gleichen Bezugszeichen versehen worden sind.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 1 zeigt eine Vorrichtung 30 zur Bearbeitung
eines Substrates 2. Das Substrat kann z. B., gemäß 1,
ein blanker, nicht isolierter Dreht, beispielsweise ein Schweißdraht sein.
Das Substrat 2 wird entlang der Bewegungsrichtung des Pfeiles 3,
also bezüglich 1 nach
rechts, durch die Vorrichtung 30 hindurchbewegt. Es wird
einem Atmosphärendruck-Niedertemperatur-Plasma 1 ausgesetzt,
welches als Atmosphärendruck-Glimmentladungsplasma
ausgebildet ist. Im Folgenden wird der Begriff Atmosphärendruck-Glimmentladungsplasma
der Einfachheit halber auf den Begriff Plasma verkürzt.
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Mit
dem Ausführungsbeispiel
dieser Vorrichtung 30 können
beliebige Substrate 2 zylindrischen Querschnittes, insbesondere
kreisförmigen
oder ellipsenförmigen
Querschnittes, bearbeitet werden, die eine elektrisch leitende Außenfläche 33 aufweisen.
In dem Ausführungsbeispiel
der 1 ist ein Draht, typischerweise ein Metalldraht,
aus Vollmaterial dargestellt. Hier kann eine Ultrafeinreinigung
zur Entfernung der Rückstände des
Ziehprozesses bei der Herstellung des Drahtes oder die Entfernung
von Restoxyden beabsichtigt sein.
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Die
Vorrichtung 30 gemäß 1 umfasst
zunächst
eine Einrichtung 8 nach Art eines Erdungskonnektors, der
die elektrisch leitende Außenfläche 33 des
Substrates 2 unmittelbar galvanisch kontaktiert. Der Erdungskonnektor 8 kann
beispielsweise als Schleifer oder als Rolle ausgebildet sein. Unbeachtlich
ist, ob sich der Erdungskonnektor in Bewegungsrichtung 3 des
Substrates 2 vor oder hinter dem Prozessraum 18 befindet,
der wie folgt erläutert werden
soll: Der Prozessraum 18 wird von einem Gehäuse 19 begrenzt,
welches im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Beim Ausführungsbeispiel der 1 besteht
das Gehäuse 19 aus
elektrisch nicht leitendem Material und weist einen kreisringförmigen Querschnitt
auf. Der Prozessraum 18 ist dementsprechend ebenfalls zylindrisch
mit kreisringförmigem
Querschnitt ausgebildet.
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Axial
endseitig des Prozessraumes 18 ist eine Anschlusseinheit 6 für den Einlass
eines Arbeitsgases vorgesehen, welches durch eine Gaseinlassöffnung 16 entlang
der Flussrichtung des Pfeiles 9 in den Prozessraum 18 eintreten
kann. Durch eine entsprechende Anschlusseinheit 7 kann
das Abgas, also das verbrauchte Arbeitsgas, den Prozessraum 18 durch
einen Gasauslass 17 hindurch, verlassen, was durch den
Pfeil 10 angedeutet ist. Nicht dargestellt ist der übrige Teil
des Gasleitungssystems, welches typischerweise geschlossen ist und
beispielsweise eine Wiedergewinnung von wertvollem Helium ermöglicht.
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Das
Substrat 2 kann dem Prozessraum 18 durch eine
Eintrittsöffnung 31 betreten
und verlässt diesen
durch eine Austrittsöffnung 32.
Die Eintrittsöffnung 31 und
die Austrittsöffnung 32 sind
typischerweise gleichgroß und
von gleichem Querschnitt und weisen einen auf den Querschnitt des
Substrates 2 angepassten Querschnitt auf. Da der Prozessraum 18 unter
Atmosphärendruck
steht und keinerlei Vakuumpumpen oder Vakuumanschlüsse erforderlich sind,
können
die Eintrittsöffnung 31 und
die Austrittsöffnung 32 das
Substrat 2 mit einem großen Radialabstand umgreifen.
Hohe Relativgeschwindigkeiten des Substrates 2, die zu
Vibrationen führen
können, sind
daher möglich.
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Die
Eintrittsöffnung 31 und
die Austrittsöffnung 32 können darüber hinaus
auch noch deutlich grösser,
als in der lediglich schematisch angedeuteten Zeichnung gezeigt,
ausgelegt werden, so dass ohne weiteres auch ungleichmäßige Querschnitte des
Substrates 2, die sich beim Herstellungsverfahren des Substrates 2 teilweise
nicht gänzlich
vermeiden lassen, tolerierbar sind. Auch für den Fall, dass sukzessive
unterschiedliche Substrate 2 durch die Vorrichtung 30 hindurchgeführt werden
sollen, ist eine Umrüstung
der Vorrichtung 30 baulicher Art nicht erforderlich, falls
sich die Querschnittsfläche des
Substrates 2 nur um weniger als 50% ändert.
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Das
Gehäuse 19 wird
beim Ausführungsbeispiel
der 1 von einem Hohlkörper 15 mit kreisringförmigem Querschnitt
gebildet, der z. B. als Quarzrohr ausgebildet ist. Das Quarzrohr 15 wird etwa
axial mittig von einer Elektrode 4 aus metallischem Werkstoff
in Umfangsrichtung vollständig
umgriffen. Die Elektrode 4 ist ebenfalls als zylindrischer Körper mit
kreisringförmigem
Querschnitt, also rohrförmig,
ausgebildet.
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Das
Substrat 2 ist mit Hilfe des Erdungskonnektors 8 mit
der elektrischen Erde 12 verbunden. Ein Vorteil der direkten
Erdung besteht darin, dass Probleme mit einer hohen Spannung auf
der gesamten Substratlänge
und auf allen elektrisch leitenden Komponenten des Substrat-Fördersystems
vermieden werden.
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Mit
der Elektrode 4 und mit dem Erdungskonnektor 8 ist
ein Generator 11 für
eine Wechselspannung verbunden. Der Generator 11 weist
zwei Anschlusspole 29a, 29b auf. Der Anschlusspol 29a ist unmittelbar
mit der Elektrode 4 verbunden und der Anschlusspol 29b ist
geerdet, liegt also auf gleichem Potential wie die Außenfläche 33 des
Substrates 2. Dementsprechend wird auf die Elektrode 4 die
hohe Spannung aus der Spannungsversorgung 11 angelegt.
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Die
Entladung 1, also das Plasma, wird zwischen der Elektrode 4 und
dem Draht 2 gezündet.
Sie wird durch den rohrförmigen,
dielektrischen Hohlkörper 15 (z.
B. ein Quarzrohr mit einem Durchmesser von wenigen mm bis zu mehreren
cm) beim Übergang
zur Bogenentladung behindert. Der Hohlkörper 15 stellt somit
eine dielektrische Barriere 5 dar.
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Je
nach Durchmesser und Wanddicke der dielektrischen Barriere 5 betragen
die angelegten Spannungen einige kV bis zu einigen zehn kV und die
Frequenz zwischen 1 und 100 kHz. Da die Feldstärken und Stromdichten direkt
an der Außenfläche 33 des
Drahtes 2 am höchsten
sind, brennt auch dort die intensivste Entladung. Dadurch wird eine
hohe Effizienz der Ausnutzung der elektrischen Leistung erreicht.
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Das
Arbeitsgas wird durch den Gaseinlass 16 in das Quarzrohr
eingeführt
und zum Fließen
entlang des Substrates 2 durch den Prozessraum gezwungen.
Die Flussrichtung des Gases durch den Prozessraum 18 entspricht
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 der
Bewegungsrichtung 3 des Substrates 2. Ein Vorteil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 ist
die Möglichkeit
des Betriebes mit beliebiger Gasmischung.
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Bevorzugt
werden solche Gasmischungen, die zum größten Teil aus einem langlebige
metastabil angeregte Spezies besitzenden Gas bestehen. Sie werden
im Weiteren als Trägergas
bezeichnet. Zu den Trägergasen
gehören
z. B. Helium, Argon, Neon, Stickstoff und deren Mischungen. Eine
zur Entfernung von organischen Rückständen geeignete
Gasmischung besteht aus 98% Helium oder Argon und 2% Sauerstoff.
Eine Gasmischung bestehend aus einem Trägergas mit einer geringen Beimischung
von Wasserstoff bewirkt eine effiziente Reduktion oder Entfernung
oxydischer Rückstände von
der Drahtoberfläche.
Die Reaktionsprodukte solcher Vorgänge werden durch die Abgasabsaugung
(nicht dargestellt) aus dem Entladungsbereich 1 der Vorrichtung 30 entfernt.
In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich
z. B. eine Anlage zur Wiederaufbereitung des Arbeitsgases und zur
Rückgewinnung
von Helium verwenden. Derartige Geräte gehören zum Stand der Technik bei
anderen bekannten Systemen zur Erzeugung des Atmosphärendruck-Plasmas 1.
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Eine
kritische Komponente der Vorrichtung 30 ist der Erdungskonnektor
B. Die typische Ausführung
dieser Komponente ist ein Schleifer oder eine Umlenkrolle. Bei einem
Schleifer ist eine Beschädigung
oder Verunreinigung der Drahtoberfläche 33 bei bestimmten
Anwendungsfällen
nicht auszuschließen.
In beiden Fällen
kann es auch zu einem nicht vollständigen elektrischen Kontakt
zwischen dem Schleifer oder der Umlenkrolle und dem Draht kommen.
In dem dadurch entstehenden Luftspalt 13 können parasitäre Entladungen
zünden,
die unter Umständen
zur Beschädigung
der Drahtoberfläche
führen
können.
Um eine derartige Beschädigung
zu vermeiden, kann anstelle des Erdungskonnektors 8 ein kapazitiver
Koppler (in 1 nicht dargestellt) eingesetzt
werden. In diesem Fall berührt
der Erdungskonnektor 8 das Substrat nicht direkt sondern über eine dünne Isolierung
hindurch. Auch in diesem Fall sollte zwischen der Innenflächen des
Isolators und der Außenfläche 33 des
Substrates 2 kein Luftspalt entstehen, um die parasitären Entladungen
zu vermeiden.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 2 zeigt eine Vorrichtung 30, die von
ihrem Grundaufbau her dem Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 30 gemäß 1 ähnlich ist.
Anstelle eines Erdungskonnektors 8, der die Außenfläche 33 des
Substrates 2 unmittelbar kontaktiert, zeigt das Ausführungsbeispiel
der 2 einen Erdungskonnektor 8, der eine
kapazitive Kopplung des Masseanschlusses 12 an das Substrat 2 ermöglicht.
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Das
Substrat 2 ist hier ein isolierter Draht, der über eine
Seele 20 und eine Isolier-Umhüllung 22 verfügt. Die
innere Seele 20 stellt in diesem Falle die leitende Ader 21 des
Substrates 2 dar, wohingegen beim Ausführungsbeispiel der 1 die
leitende Ader 21 von dem blanken Draht 2 unmittelbar
gebildet worden ist.
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Die
Außenfläche 33 des
Substrates 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 2 besteht nunmehr aus einem elektrisch nicht leitenden
Material. Durch eine kapazitive Kopplung kann die leitende Ader 21 des
Substrates 2 auch in diesem Falle auf Erdpotential gelegt
werden.
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Auch
hier ist dafür
zu sorgen, dass zwischen der Drahtisolierung 22 und dem
Erdungskonnektor 8 kein Luftspalt 13 entsteht,
dessen Dimension eine parasitäre
Entladung hervorruft.
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Bei
dieser Ausführungsform
der Vorrichtung 30 spielen die elektrischen Eigenschaften
der Drahtisolierung 22 eine besondere Rolle. Da der gesamte Strom
der Entladung durch die Drahtisolierung 22 in Form eines
Verschiebungsstromes fließen
muss, darf das Isoliermaterial keine großen dielektrischen Verluste
bei der Betriebsfrequenz aufweisen. Auch eine ausreichende Durchschlagfestigkeit
muss gewährleistet
werden. Andersfalls droht nicht nur die Zerstörung der Isolierschicht 22 selbst
sondern auch die Beschädigung
der Vorrichtung 30.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 2 ist aufgrund der geringen Durchschlagfestigkeit
der Isolier-Umhüllung 22 des
Substrates 2 eine dielektrische Barriere 5 in
Form eines beispielsweise als Quarzrohres ausgebildeten Hohlkörpers 15 vorgesehen.
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Für den Fall,
dass ein isoliertes Substrat 2 bearbeitet wird, dessen
Isolier-Umhüllung
eine ausreichend hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und ausreichend
niedrige dielektrische Verluste bei der Betriebsfrequenz aufweist,
kann die Isolierumhüllung 22 des
Substrates 2 die Rolle der dielektrischen Barriere 5 übernehmen.
Demzufolge kann auf den dielektrischen Hohlkörper 15 als Komponente
der Vorrichtung 30 verzichtet werden.
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Eine
solche Ausführungsform
ist in 3 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine gesonderte
Erdung der leitenden Ader 21 des Substrates 2 nicht
erforderlich. Dieses Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 30 kann Substrate bearbeiten, bei denen
die Außenseite 33 des
Substrates 2 nicht elektrisch leitend ist, also beispielsweise
isolierte Drähte.
Es können
auch, wie dargestellt, Koaxial-Kabel (abgeschirmte Kabel) bearbeitet
werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 3 ist das Substrat 2 aus vier Bestandteilen
zusammengesetzt: Im Innern des Substrates 2 befindet sich
eine metallische Seele 20, die von einer ersten Isolier-Umhüllung 23 umgeben
ist. Diese ist wiederum von einer metallischen Abschirmung 24 umgeben,
welche beispielsweise als Drahtgeflecht ausgebildet ist. Die Abschirmung 24 stellt,
was später
beschrieben wird, die leitende Ader 21 dar.
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Die
metallische Abschirmung 24 ist ihrerseits von einer weiteren
Isolier-Umhüllung 22 umgeben. Die
Außenfläche 33 wird
somit von einem nicht elektrisch leitenden Material bereitgestellt.
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Aufgrund
der Isolierschicht 22 wäre
eine galvanische elektrische Kontaktierung der Abschirmung 24 mit
einem Anschlusspol 29a, 29b der Hochspannungsversorgung 11 nur
an einem der Kabelenden möglich.
Da die Kabel 2 während
eines Behandlungsprozess typischerweise von einer ersten Spule abgewickelt
und auf eine zweite Spule aufgewickelt werden und eine große Länge besitzen,
würde solche
Kontaktierung zu großen
Verlusten der Effizienz in Folge eines hohen ohmschen Widerstandes
und einer hohen Induktivität
eines langen Abschnittes der Kabelabschirmung 24 führen. Aus
diesem Grunde wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine kapazitive Kopplung
zwischen der leitenden Ader 21 des Substrates 2 und
dem Erdungskonnektor 8 vorgenommen.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 zeigt darüber
hinaus einen geänderten
Aufbau der Vorrichtung 30. Anstelle eines elektrisch nicht
leitenden Hohlkörpers 15,
der bei dem Ausführungsbeispiel
der 2 die Funktion der dielektrischen Barriere 5 übernommen
hat, wird beim Ausführungsbeispiel
der 3 das Gehäuse 19 des
Prozessraumes 18 unter anderem von der Elektrode 4 gebildet.
Diese ist in der lediglich schematisch zu verstehenden Prinzipzeichnung
der 3 als axial langgestreckter, zylindrischer Körper mit
kreisringförmigem
Querschnitt ausgebildet. Die Funktion der dielektrischen Barriere 5 übernimmt
die äußere Isolier-Umhüllung 22 des
Substrates 2.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 ist
in 4 dargestellt. Hier wird als Substrat 2 ein
isolierter Draht 2 dargestellt, der eine innere metallische
Seele 21 und eine Isolier-Umhüllung 22 aufweist.
Mit diesem Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 30 können
jedoch gleichermaßen
auch Substrate 2 bearbeitet werden, die eine elektrisch
leitende Außenfläche 33 besitzen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 4 ist, ähnlich
wie bei den Ausführungsbeispielen
der 1 und 2, ein Hohlkörper 15 vorgesehen,
der aus nicht elektrisch leitendem Material besteht, und beispielsweise
von einem Quarzrohr mit kreisringförmigem Querschnitt gebildet
sein kann.
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Nunmehr
sind zwei Elektroden 4 vorgesehen, in Form einer ersten
Elektrode 27 und einer zweiten Elektrode 28, die
axial voneinander beabstandet sind. Beide Elektroden 27, 28 entsprechen jeweils
von ihrem Aufbau her der in 1 und 2 dargestellten
Elektrode 4.
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Die
erste Elektrode 27 ist mit dem ersten Anschlusspol 29a und
die zweite Elektrode 28 ist mit dem zweiten Anschlusspol 29b des
Wechselspannungsgenerators 11 verbunden.
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Gemäß 4 kommt
es zur Entstehung zweier Entladungen 1, einer ersten Entladung 25 und einer
zweiten, axial beabstandeten Entladung 26.
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Von
der ersten Elektrode 27 fließen Verschiebungsströme zu der
leitenden Ader 21 des Substrates 2. Dabei wird
in dem Ringraum zwischen dem Hohlkörper 15, der eine
dielektrische Barriere 5 bildet, und der Isolier-Umhüllung 22 des
Substrates 2 die Entladung 25 bevorzugt an der
Außenfläche 33 des
Isoliermaterials 22 gezündet.
Der Strom fließt durch
die leitende Ader 21 des Substrates 2 in die axiale
Position der zweiten Elektrode 28. Der Verschiebungsstrom
fließt
dann von der leitenden Ader 21 des Substrates 2 durch
die Isolier-Umhüllung 22 des
Substrates 2 und den Hohlkörper 15 hindurch zu der zweiten
Elektrode 28. Dabei wird in dem Ringraum zwischen der Isolier-Umhüllung 22 des
Substrates 2 und dem Hohlkörper 15 die zweite
Entladung 26 gezündet.
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Vorzugsweise
sind die erste und die zweite Elektrode 27, 28 identisch
ausgebildet. Weiter vorzugsweise wird an die beiden Elektroden grundsätzlich eine
identische Spannungsamplitude mit umgekehrtem Vorzeichen angelegt.
Auf diese Weise übernimmt
die leitende Ader 21 die Rolle einer floatenden Elektrode,
die auf Erdpotential liegt.
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Der
axiale Abstand zwischen den Elektroden 27, 28 muss
groß genug
sein, um den direkten Durchgriff der Entladung von der ersten Elektrode 27 zu
der anderen Elektrode 28 zu vermeiden, weil dann die Intensität der Entladung
direkt am Substrat 2 wesentlich herabgesetzt würde.
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Dank
der symmetrisch gekoppelten Elektroden 27, 28 sind
die Potentialschwankungen der leitenden Ader 21 des Substrates 2 auf
den Abschnitten, die sich außerhalb
der Vorrichtung befinden, sehr gering, wodurch die Verluste und
die Pegel von EM-Störungen
minimiert werden.
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Auch
bei dem vierten Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung 30 mit symmetrisch gekoppelten Elektroden 27, 28 kann
unter Umständen
auf den Hohlkörper 15 als
dielektrische Barriere 5 als Komponente der Vorrichtung 30 verzichtet
werden. Die dementsprechende Version der Vorrichtung 30 ist
als fünftes
Ausführungsbeispiel
in 5 dargestellt. Um eine Bogenentladung zwischen
den Elektroden 27 und 28 zu vermeiden, muss eine
ausreichend lange Isolierstrecke eingeführt werden, die von einem ringförmigen oder
rohrförmigen
Element 14 aus geeignetem, elektrisch nicht leitendem Material
gebildet werden kann.
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Lediglich
schematisch ist in 1 angedeutet, dass ein schichtbildendes
Gas über
eine gesonderte Zuführung 34 in
den Prozessraum 18 eingeführt werden kann. Vorteilhafterweise
befindet sich die Zuführung 34 in
Strömungsrichtung 3 des
Gases hinter dem Bereich 1 des Plasmas. Dies hat den Vorteil,
dass metastabil angeregte Teilchen von der Gasströmung mitgerissen
werden und distanziert von dem Plasmabereich 1 mit den
schichtbildenden Gasen etwa im Bereich der Zuführung 34 ungestört von dem
Plasma 1 mit dem Substrat 2 zusammenwirken können.