DE19605226A1 - Verfahren zur Herstellung eines Plasmas sowie Verwendung eines derart hergestellten Plasmas - Google Patents

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.