DE19605226A1 - Verfahren zur Herstellung eines Plasmas sowie Verwendung eines derart hergestellten Plasmas - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Plasmas sowie Verwendung eines derart hergestellten PlasmasInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Plasma nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
sowie die Verwendung eines derartigen Plasmas gemäß den Ansprüchen 5 bis 10.
Den Anmeldern ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem freie Elektronen einer
hinreichenden Energie mit anderen Teilchen wie Molekülen, Atomen, Festkörpern, Ionen oder
Radikalen in Wechselwirkung treten und dabei das Plasma erzeugen.
Durch das Verfahren nach Anspruch 1 ist in einfacher Weise ein Plasma herstellbar, bei dessen
Herstellung keine besonderen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen zu stellen sind.
Durch die hinreichend große elektrische Feldstärke kann das Plasma dabei insbesondere bei
Umgebungsbedingungen wie normalem Luftdruck und Zimmertemperatur hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Herstellung eines Plasmas
besteht dabei darin, daß eine große Plasmafläche entsteht, ohne daß ein großvolumiges Plasma
erzeugt werden muß.
Bei einem solchen großvolumigen Plasma, mittels dem bisher üblicherweise ein Plasma mit
einer vergleichsweise großen Oberfläche erzeugt wurde, kann meist nur der Randbereich in der
industriellen Anwendung benutzt werden.
Diese bekannten Anwendungsmethoden sind dabei z. B. die Reinigung, das Ätzen und
Bedampfen von Oberflächen, das Zerschneiden von Materialien, die Lichterzeugung in
Lampen, Plasmabildschirme, Anwendungen in der Chemie der Gasphase im allgemeineren
Sinne und ähnliches.
Dabei ist eine große Plasmarandfläche wesentlich für diese Anwendungen. Dies führt bei dem
bekannten Stand der Technik zu einem vergleichsweise großvolumigen Plasma, bei dem im
Inneren dann entsprechend hohe Temperaturen auftreten können, die dann wieder zu
unerwünschten Reaktionen führen können.
Für die Erzeugung des Plasmas nach dem Stand der Technik sind ferner genau definierte
Bedingungen hinsichtlich Druck und Temperatur notwendig. Ferner ist bei einem
großvolumigen Plasma eine schnelle Einstellbarkeit beispielsweise hinsichtlich der Ionendichte
und des Ionentransportes m der Praxis ausgeschlossen. Jedenfalls ist dies nicht mit kurzen
Zeitkonstanten und genauer örtlicher Auflösung möglich.
Demgegenüber kann mit dem Verfahren nach Anspruch 1 ein Plasma hergestellt werden, das
genau definiert ist hinsichtlich seiner räumlichen Ausdehnung und hinsichtlich der in ihm
enthaltenen Bestandteile sowie deren Temperaturverteilung. Diese Plasmafläche kann dabei
gleichzeitig eine hinreichende Ausdehnung für eine Vielzahl von Anwendungen haben.
Insbesondere ist bei einem derartigen Plasma das Verhältnis der Plasmaoberfläche zum
Plasmavolumen beliebig wählbar, d. h. auch beliebig groß wählbar. Durch das Verfahren nach
Anspruch 1 lassen sich lokal begrenzte Plasmen zu einer großen Plasmafläche integrieren.
Durch die Möglichkeit der geringen und gleichzeitig kontrollierbaren Ausdehnung des Plasmas
in einer Richtung kann das Plasma beliebig dicht an Objekte herangebracht werden, die mittels
dieses Plasmas bearbeitet oder verändert werden sollen.
Durch das Verfahren nach Anspruch 2 kann das Plasma insgesamt an unterschiedliche
Anwendungsfalle angepaßt werden. Die einzelnen Plasmaflächen können dabei hinsichtlich
ihrer Zusammensetzung und Temperaturverteilung unterschiedlich sein. Wenn dabei
beispielsweise ein Gas diese Plasmaflächen durchströmt, kann dieses Gas nacheinander mit
unterschiedlichen Plasmen bearbeitet werden.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 kann genutzt werden, daß das Plasma über die elektrische
Feldstärke mit sowohl zeitlicher als auch örtlicher Genauigkeit einstellbar ist. Dabei kann
beispielsweise in Abhängigkeit von der Anwendung des Plasmas das Ergebnis, wie
beispielsweise die Rate einer bestimmten chemischen Umsetzung von Ausgangsstoffen als
Meßgröße überwacht werden. Diese Meßgröße kann mit einer Führungsgröße verglichen
werden. Bei einer Abweichung wird dann die elektrische Feldstärke so angepaßt, daß sich die
Meßgröße der Führungsgröße annähert. Vorteilhaft zeigt sich dabei, daß diese Regelung mit
einer sehr kurzen Zeitkonstanten möglich ist. Die elektrische Feldstärke kann dabei in der
Größenordnung von Nanosekunden variiert werden.
Mit dem Verfahren nach Anspruch 4 kann dabei in der Plasmafläche gezielt eine lokal
unterschiedliche Ausbildung des Plasmas erreicht werden.
Die Ansprüche 5 bis 10 zeigen dabei vorteilhafte Anwendungen eines definierten Plasmas. Bei
der Verwendung nach Anspruch 9 ergibt sich eine spektrale Einstellbarkeit durch die
Verwendung eines bestimmten Gases.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt. Es zeigen dabei:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas,
Fig. 2 eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas in einem Schnitt in
Seitenansicht,
Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 2 in Draufsicht,
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Plasmas und
Fig. 5 eine andere Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 4.
Fig. 1 zeigt dabei in Seitenansicht eine Vorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Plasma
erzeugt werden kann. Dabei stehen sich auf einer Fläche 103 Elektroden 101 und 102
gegenüber.
Diese Elektroden sind dabei vorteilhaft in Mikrostrukturtechnik oder Nanostrukturtechnik
hergestellt. Alternativ zu dieser Herstellung einer Vorrichtung ist es auch denkbar, eine
Kunststoffolie entsprechend zu bedrucken, beispielsweise mit einer Aluminiumfolie. Dabei wird
eine nur geringere Auflösung hinsichtlich der Elektrodenabstände erzielbar sein, ein solches
Herstellungsverfahren eignet sich aber wegen seiner geringen Kosten insbesondere für
Anwendungen in der Massenproduktion. Bei Herstellungsverfahren in Mikrostrukturtechnik
oder Nanostrukturtechnik ergibt sich der Elektrodenabstand in Abhängigkeit der Wellenlänge
der Strahlung, mit der diese Struktur erzeugt wird. Wenn diese Struktur beispielsweise mit
Licht im sichtbaren Bereich erzeugt wird, so ergibt sich daraus ein Abstand der Elektroden in
der Größenordnung der Wellenlänge von sichtbarem Licht, d. h. von einigen 100 nm. Unter
Verwendung von Strahlung geringerer Wellenlänge sind dabei entsprechend geringere
Elektrodenabstände und damit entsprechend größere Feldstärken bei geringeren elektrischen
Spannungen erzielbar.
Vorteilhaft weisen diese Elektroden 101 und 102 dabei an ihrer Oberseite eine scharfe Kante
104 auf. Bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 101 und 102 entsteht dabei ein
elektrisches Feld 105 zwischen diesen Elektroden. Durch die scharfe Kante 104 entsteht dann
an der Oberseite der Elektroden 101, 102 ein besonders großes elektrisches Feld 105 von
nahezu atomaren Größenordnungen, was den Austritt von Elektronen 106 aus der Elektrode
101 erleichtert. Dabei wird an die Elektrode 101 eine gegenüber der Elektrode 102 negative
Spannung angelegt.
Die Struktur dieser Elektroden 101, 102 wird dabei auf Materialien wie z. B. Glas oder
Kunststoffolie mittels bereits bekannter Technologie z. B. lithographische Verfahren
aufgebracht. In Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens ergibt sich daraus der Abstand der
Elektroden 101 und 102, der einen wesentlichen Einfluß auf die elektrische Feldstärke hat.
Durch die rechteckig ätzbaren Elektrodenstrukturen, d. h. die scharfen Kanten 104 der
Elektroden 101 und 102 an deren Oberseite, werden dabei auch bei vergleichsweise geringen
Spannungen Feldstärken einer solchen Größenordnung erzielt, daß es zur Emission von
Elektronen 106 kommt. Es ist dabei auch möglich, eine kalte Emission von Elektronen 106 aus
der kalten Elektrode 101 der als Festkörperelektrode ausgebildeten Elektrode 101 zu erhalten.
Zur Erzeugung der Feldstärken werden die Elektroden 101 und 102 dann wie aus der
Mikroelektronik bekannt mit Gleich- oder Wechselspannungen der Größenordnung von
einigen 100 V beschaltet. Durch Spannungen dieser Größenordnung kann das elektrische Feld
105 dann in der Größenordnung von ns variiert werden. Dadurch ist eine Steuerung oder
Regelung des Plasmas mit einer schnell variierbaren Stellgröße möglich. Insgesamt ergibt sich
also eine Steuerung bzw. Regelung mit einer sehr kurzen Zeitkonstanten.
Die Elektronen 106 werden dann als freie Elektronen in den starken elektrischen Feldern 105
beschleunigt und erzeugen durch Stoßionisation mit den umgebenden Atomen oder Molekülen
der umgebenden Gasatmosphäre Ionen oder Radikale. Das entstehende Mikroplasma zwischen
den Elektroden 101 und 102 kann durch entsprechende Beschaltung, d. h. Beaufschlagung der
Elektroden 101 und 102 mit elektrischer Spannung schnell ein- und ausgeschaltet werden.
Unter diesen Bedingungen ist also ein Plasma herstellbar unter
Standardumgebungsbedingungen, d. h. Normaldruck, Zimmertemperatur und ohne
Vorionisation. Gleichzeitig weist dabei das Plasma eine geringe Ausdehnung senkrecht zu den
elektrischen Feldlinien auf, so daß die Ionen leicht mit gepulsten elektrischen Feldern extrahiert
und auf andere benachbarte Oberflächen aufgebracht werden können.
Bei der Anwendung eines mit der Vorrichtung erzeugten Plasmas kann beispielsweise ein Gas
in Richtung des Pfeiles 107 über die Fläche strömen und dabei mit dem Plasma in
Wechselwirkung treten, das sich insbesondere an der Oberseite der Elektroden 101 und 102
ausbildet. Ebenso ist es auch denkbar, diese Fläche entsprechend dicht an die Oberseite eines
mittels des Plasmas zu bearbeitenden Festkörpers heranzuführen. Eine andere
Strömungsrichtung eines Gases kann dabei im wesentlichen senkrecht zur Papierebene
ausgebildet sein.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Kathode 101 und einer zugehörigen Anode 102,
mittels denen ein Plasma erzeugt werden kann. Dabei können Anode 102 und Kathode 101 auf
einer Kunststoffolie 103 angebracht sein. Das elektrische Feld 105 bildet sich bei Anlegen einer
elektrischen Spannung wieder zwischen den Elektroden 101 und 102 aus. Durch ein
entsprechendes Herstellungsverfahren weisen dabei die Elektroden 101 und 102 wieder eine
scharf ausgeprägte Kante 104 an der Oberseite auf. Wenn die als Trager wirkende
Kunststoffolie 103 Löcher 202 aufweist, kann bei einer hinreichend großen Zahl von Löchern
202 das Gas in der Richtung des Pfeiles 201 strömen. Das Gas strömt dann also senkrecht
durch die Plasmafläche hindurch. Fig. 2 zeigt dabei die Vorrichtung in einem Schnitt in
Seitenansicht, bei der gerade die Löcher 202 zu sehen sind.
Die Darstellung nach Fig. 3 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 2 in Draufsicht. Dabei ist die
Kathode 101 wieder mit der Bezugsziffer 101 versehen. Die Kunststoffolie 103 ist dabei durch
Löcher 202 durchsetzt. Diese Löcher 202 führen dabei zu einer wabenförmigen Struktur der
Kunststoffolie 103, so daß nach wie vor eine mechanische Verbindung der Elektroden gegeben
ist und das Gas dennoch senkrecht durch die Plasmafläche strömen kann.
Bei den bisher beschriebenen Vorrichtungen konnte das Gas lediglich mit einer Plasmafläche in
Wechselwirkung treten. Durch eine entsprechende Beschaltung der einzelnen Elektroden in der
Fläche kann dabei das Plasma auch innerhalb der Fläche unterschiedlich ausgebildet sein.
Es ist aber auch möglich, das Gas senkrecht durch die Plasmafläche strömen zu lassen und
dabei mehrere dieser Plasmaflächen in Strömungsrichtung des Gases hintereinander
vorzusehen.
Eine Vorgehensweise zur Herstellung eines solchen Plasmas, das in drei Dimensionen regel-
und/oder steuerbar ist, ist durch die sogenannte LIGA-Technik gegeben. Mittels dieser
Technik ist es möglich, dreidimensional eine entsprechende Elektrodenstruktur herzustellen.
(LIGA = Lithografie, Galvanoformung, Abformung, beschrieben beispielsweise in W. Ehrfeld,
H. Lehr: Radiation, Physics ND Chemistry 45 (3), 349-365 (1995)). Wird bei diesem Verfahren
also eine Elektrodenstruktur so hergestellt, daß immer Elektroden hinreichend dicht
beieinander liegen und entsprechend scharfkautig ausgebildet sind, so können dreidimensional
entsprechende Plasmafelder erzeugt werden.
Ein Beispiel dafür ist durch die Darstellung nach den Fig. 4 und 5 gegeben.
Fig. 4 zeigt dabei in Seitenansicht eine Anordnung von Elektroden 101 und 102, die wiederum
entsprechend scharfe Kanten 104 an den Ecken aufweisen. Diese Elektroden werden dabei
durch Stützwände (beispielsweise aus Kunststoff) in einem definierten Abstand gehalten. Dabei
entsteht dann wieder zwischen den Elektroden das elektrische Feld 105. Durch entsprechende
Löcher strömt dabei das Gas in Richtung des Pfeiles 401. Dabei durchströmt das Gas dann
mehrere Plasmaflächen.
Fig. 5 zeigt in Draufsicht die Vorrichtung nach Fig. 4. Dabei werden die Elektroden 101 und
102 wieder von einem Träger aus Kunststoff 103 gehalten, der aber wieder Löcher 202
aufweisen muß, damit das Gas die Plasmaflächen durchströmen kann.
Die Herstellung erfolgt dabei beispielsweise derart, daß in einen massiven Kunststoffblock
metallische Elektroden eingebracht sind. Mittels der LIGA-Technik wird dann die
entsprechende Struktur mit den scharfen Kanten der Elektroden herausgearbeitet.
Eine Anwendungsmöglichkeit derartig erzeugter Plasmen ist zum Beispiel in der Chemie der
Gasphase gegeben. Die Elektronen in dem Plasma weisen eine hohe Energie auf und sind somit
in der Lage, praktisch jede elektronische Bindung aufzubrechen. Die kinetische Energie der
Elektronen ist vergleichsweise genau einstellbar, so daß die Energie auf die Anregung
bestimmter Reaktionen eingestellt werden kann. Die Energie der Elektronen kann dabei in
einem Energiebereich von einigen 10 eV variiert werden. Das primäre Elektron wirkt dabei wie
ein dynamisch induzierter Katalysator, der selbst nach der Reaktion wieder unverbraucht für
weitere Reaktionen zur Verfügung steht. Obwohl das Elektronengas extrem heiß ist und somit
praktisch jede chemische Bindung aufbrechen kann, bleiben die Gasatome oder Moleküle
praktisch auf der Umgebungstemperatur des Reaktorgefäßes. Damit lassen sich mit dem
Plasma chemische Reaktionszonen herstellen, die praktisch für die Reaktionsstufe 1 (z. B.
Dissoziation der Ausgangsmoleküle) und für die Reaktionsstufe 2 (Synthese der Endprodukte)
zwei getrennt wählbare Temperaturen haben.
Die Plasmen erlauben daher eine völlig neue Art von Gasphasenchemie. Im Umweltschutz
könnten z. B. durch Elektronenstoß induzierte kalte Verbrennungen Dioxine und Stickoxide
abgebaut werden. Es können auch höhere Stickoxide in Stickstoff und Sauerstoff getrennt
werden.
Es können auch Materialien kalt synthetisiert werden, die bisher nur bei sehr hohen
Temperaturen auf vergleichsweise umständliche Weise umgesetzt werden konnten. Dabei ist
beispielsweise eine Umsetzung von Methan in Ethin, Ethen und Ethan möglich. Ebenso kann
an eine Umsetzung von Ethan in Ethin gedacht werden.
Weitere denkbare Anwendungsmöglichkeiten sollen im folgenden kurz dargestellt werden.
Beispielsweise können in einer Edelgasatmosphäre Edelgasionen oder angeregte Edelgasatome
in einer sehr dünnen Schicht direkt an der zu behandelnden Oberfläche erzeugt werden. Die
erzeugten Edelgasionen können aufgrund ihrer hohen Ionisationsenergie jeden Schmutz an der
Oberfläche oder Teile der Oberfläche wegätzen und stehen nach der Ätzreaktion als neutrale
Edelgasatome für Folgereaktionen wieder völlig umweltfreundlich zur Verfügung. Wegen der
guten Steuer- und Regelbarkeit des Plasmas kann dabei die Oberflächenbehandlung lokal sehr
gezieh erfolgen.
Ebenso können Oberflächen auch bedampft werden. Wegen der guten Steuerbarkeit des
Plasmas ist dabei eine Anwendung bei Druck- und Schreibsystemen denkbar, da das Plasma
gerade auch unter thermodynamischen Standardbedingungen erzeugt werden kann.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung eines Plasmas, bei dem mittels Wechselwirkung freier
Elektronen mit anderen Teilchen das Plasma erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
das Plasma als kalte Plasmafläche erzeugt wird, indem freie Elektronen mit einer solchen
elektrischen Feldstärke erzeugt werden, daß sie ohne besondere Umgebungsbedingungen -
wie hohe Temperatur - aus einem Festkörper, insbesondere Metall, kalt emittiert werden
und indem die die Emission verursachende elektrische Feldstärke durch die Geometrie der
Elektrodenstruktur lokal begrenzt aufgebaut wird, insbesondere für Elektrodenstrukturen
von einigen nm bis mm, und indem sich viele lokal begrenzte elektrische Felder im
wesentlichen in einer Ebene aneinander anschließen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zumindest im
wesentlichen senkrecht zu der Ebene ausgebildeten Richtung mehrere Plasmaflächen
erzeugt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma
steuerbar oder regelbar ist unter Verwendung der elektrischen Feldstärke als Stellgröße.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma
lokal unterschiedlich einstellbar ist über eine lokal unterschiedlich einstellbare elektrische
Feldstärke.
5. Verwendung eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Plasmas zur
Verwendung in einem Katalysator zur Abgasreinigung.
6. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Plasmas zur Synthese
komplexer chemischer Verbindungen aus einfachen Grundbausteinen wie beispielsweise
zur Erzeugung höherer Kohlenwasserstoffe aus Methan.
7. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Plasmas zur Reinigung
und/oder Ätzung von Oberflächen.
8. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Plasmas zur
Bedampfung und/oder Bedruckung von Oberflächen.
9. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Plasmas als großflächige
spektrale Lichtquelle und/oder Spektrallampe.
10. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Plasmas als flacher
Bildschirm.
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