WO2005099320A2 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines niederdruckplasmas und anwendungen des niederdruckplasmas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines niederdruckplasmas und anwendungen des niederdruckplasmas Download PDF

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WO2005099320A2
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low
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pressure
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Christian Buske
Uwe Hartmann
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Plasmatreat Gmbh
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream
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    • H01J37/32816—Pressure
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating a low-pressure plasma and various applications of this method and this device.
  • Methods and devices for generating a low-pressure plasma are known from the prior art. These are based essentially on the fact that a vacuum is generated in a low pressure chamber. A working gas is specifically introduced into the low-pressure chamber, in which a gas discharge is ignited between two electrodes. The working gas contained in the low-pressure chamber, which can also generally be a gas mixture, is then excited to a plasma by the discharge. The generated plasma is distributed within the low pressure chamber due to thermal effects. As an alternative to gas discharge, the plasma can also be excited by a microwave field.
  • Such low-pressure plasmas have the disadvantage that their intensity is limited due to the low density of the working gas.
  • a vacuum is required to generate the low-pressure plasma in order to ignite and maintain a plasma discharge at all.
  • the higher the pressure in the low-pressure chamber the lower the intensity of the plasma.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of improving the effectiveness of the known methods and devices for generating a low-pressure plasma and for using a low-pressure plasma.
  • the technical problem outlined above is solved by a method for generating a low-pressure plasma with the features of claim 1.
  • the process consists of the two process steps, that a vacuum is generated in a low pressure chamber with the help of a vacuum pump and that a plasma jet with a higher pressure is introduced into the low pressure chamber.
  • the function of the vacuum pump is maintained, so that there is a balance between the plasma gas admitted together with the remaining part of the non-excited working gas and the pumped gas.
  • the gas pressure of the plasma jet can be up to more than atmospheric pressure. This causes a high intensity plasma to spread within the low pressure chamber. Correspondingly large pump capacities must be guaranteed by the vacuum pump so that the low pressure can be maintained despite the gas flow from the plasma nozzle.
  • RO / sv 040430WO The advantage of the invention is that a working gas is excited to a plasma under higher to more than atmospheric pressures and thus a considerably more intense plasma beam is formed than is the case with the discharge or microwave excitation taking place in the low-pressure chamber under vacuum. Because the plasma jet is generated outside the low pressure chamber in a plasma source, the higher working gas pressures can be set there without the pressure in the low pressure chamber being increased too much.
  • the shape of the emerging plasma jet changes with different negative pressures in the low-pressure chamber. If the plasma jet emerges in the form of a focused flame, comparable to the shape of a candle flame, at atmospheric pressure from the nozzle opening, the plasma jet expands further and further with decreasing negative pressures until the plasma jet begins to emerge from a certain negative pressure shortly after it emerges from the nozzle opening already dissolves and the plasma is distributed within the low pressure chamber.
  • the vacuum range from 10 mbar to 300 mbar is specified, within which the previously described changes in the plasma jet result. This area was found in an experiment, but should not be understood as limiting the invention.
  • the respective pressure conditions and geometries within the low-pressure chamber and the pressure of the working gas used in the plasma source significantly influence the shape of the plasma jet or the plasma within the low-pressure chamber.
  • RO / sv 040430WO Another advantage of the invention is that due to the low pressure in the low pressure chamber, the plasma has a longer residence time than is the case when generating plasma under atmospheric pressure. The plasma can therefore be used for a longer period of time than was the case with the previously known application of the plasma sources.
  • the plasma source can generate the plasma beam in different ways.
  • a plasma nozzle arrangement is preferably used which is known from the prior art of EP 0 761 415 AI or EP 1 335 641 AI.
  • a plasma jet is generated from the working gas by exerting a high-frequency high voltage in a nozzle tube between a pin electrode and an electrode in the region of the nozzle opening and exiting the nozzle opening.
  • this non-thermal plasma jet has no electrical sparks, so that only the high-energy but low-temperature plasma jet leaves the nozzle opening.
  • a high electron temperature and a low ion temperature are also used to characterize the plasma beam.
  • the plasma jet is generated by means of a corona discharge by ionizing a working gas, for example air.
  • the device consists of a ceramic tube which is surrounded on the outer wall by an outer electrode. A few millimeters away from the inside wall of the
  • RO / sv 040430 O Ceramic tube an inner electrode is arranged as a rod.
  • An ionizable gas such as air or oxygen is passed through the gap between the inner wall of the ceramic tube and the inner electrode.
  • a high-frequency high-voltage field is applied to the two electrodes, as is used in a corona pretreatment of foils.
  • the gas carried through is ionized by the alternating field and emerges at the end of the tube.
  • the technical problem outlined above is solved by a method for the surface pretreatment of a workpiece in a low-pressure plasma, in which a workpiece is arranged in a chamber, in which a vacuum is generated in a low-pressure chamber with the aid of a vacuum pump a plasma jet with higher pressure is introduced into the low pressure chamber and the surface of the workpiece is pretreated by the plasma spreading in the low pressure chamber.
  • This method uses the previously explained method to generate an intense low pressure plasma in the low pressure chamber. In this with the plasma
  • a pretreatment is understood to mean that the surface is cleaned of dirt and / or that surface layers are removed and / or that the surface is activated.
  • the cleaning of the surface of contaminants is based, for example, on the fact that with the aid of an aggressive working gas, for example having oxygen, argon, nitrogen, pentane or mixtures thereof, a plasma with high energy is generated, which leads to a burning or conversion of the contaminants.
  • an aggressive working gas for example having oxygen, argon, nitrogen, pentane or mixtures thereof
  • organic contaminants such as fats and oils can be removed and removed from the surface of the workpiece.
  • This method is preferably used for metallic workpieces or workpieces made of ceramic materials. The process can also be applied to plastics.
  • the stripping of the surface is based on the fact that the energy of the plasma is coupled into the • surface layer and thus leads to melting and evaporation of the layer material.
  • the layer material thus detached and at least partially passed into the gas phase can then be removed via the vacuum pump.
  • the activation of the surface serves to ensure that the surface has better wettability for liquids after the pretreatment.
  • the surface of the workpiece itself remains essentially unchanged. In any case, the aim is to avoid physical or chemical surface changes.
  • the technical problem outlined above is solved by a method for plasma coating a workpiece in a low-pressure plasma, in which a workpiece is arranged in a chamber, in which a vacuum is generated in a low-pressure chamber with the aid of a vacuum pump which is introduced into the low-pressure chamber by a plasma jet at a higher pressure, in which a precursor material is supplied, in which the precursor material reacts in the plasma which is spreading in the low-pressure chamber and in which the workpiece is at least partially coated with the reaction products formed in the plasma from the precursor material.
  • the intense and, depending on the pressure conditions, more or less spreading plasma jet can also be used advantageously for plasma coating.
  • the precursor material which can be in gaseous, liquid or solid state, can be supplied either directly in the low-pressure chamber or within the plasma source.
  • the precursor material can either be supplied to the working gas or to the plasma jet in the area of the nozzle opening.
  • the method and the device known from EP 1 230 414 are preferably used to generate the plasma jet using a precursor.
  • the precursor material is supplied to the plasma jet in the area of the nozzle opening after the plasma gas has left the area of the discharge inside the nozzle tube.
  • the precursor material reacts
  • RO / sv 040430WO then in the plasma jet emerging from the nozzle opening and the resulting reaction products are separated from the gas phase when they strike the surface of the workpiece.
  • the change in the shape of the plasma jet explained above at different pressures within the low-pressure chamber can advantageously be used in order to achieve flat processing, that is to say pretreatment or coating, especially on the side of the workpiece facing the plasma source.
  • the expanded plasma jet then hits this surface in particular, while surfaces of the workpiece facing away from the plasma source are shielded.
  • the pressure within the low-pressure chamber is set in such a way that the plasma jet does not dissolve completely, but widens so much that a large cross section of the plasma jet arises in comparison to the nozzle opening.
  • the cross section of the plasma jet can therefore be set very precisely by the pressure within the low-pressure camera.
  • the workpiece can also be moved relative to the low-pressure chamber or to the plasma jet, as a result of which different sides of the workpiece are exposed to the expanded plasma jet.
  • the technical problem outlined above is solved by a method for treating a gas, in which a vacuum is generated in a low pressure chamber by means of a vacuum pump, in which a plasma jet with a higher pressure
  • RO / sv 040430WO the low pressure chamber is introduced and in which the gas to be treated is supplied.
  • gas is generally understood to mean any gas or gas mixture.
  • Low pressure chamber and size of the gas pressure of the working gas in the plasma source can be controlled.
  • the gases are chemically modified or fragmented, for example, under the influence of the plasma.
  • the gas to be treated can be introduced as working gas for generating the plasma beam within the excitation area of the plasma source.
  • the gas can also be fed to the plasma jet in the region of the outlet opening of the plasma source.
  • the gas can also be introduced separately from the plasma source of the low-pressure chamber, which then mixes with the plasma within the low-pressure chamber.
  • the excitation energy of the plasma is used to cause a reaction of the gas.
  • the reaction products and any remaining residues of the starting gas are then sucked out of the low-pressure chamber and, if necessary, further processed.
  • RO / sv 040430 O To be able to regulate the duration of the treatment of the gas within the low pressure chamber.
  • the method described above can be used in particular for exhaust gas purification.
  • a particular advantage of using both types of plasma generation is, among other things, that areas with different plasma concentrations can be generated in a targeted manner within the low-pressure chamber. For example, a low but evenly distributed concentration of the plasma of the low-pressure plasma generation can be overlaid with a concentrated plasma distribution in a certain area, for example in the middle of the low-pressure chamber.
  • RO / sv 040430WO different plasma gases are used, for example the plasma of the plasma nozzle can be generated with air, while the low-pressure plasma is generated with a gas mixture containing argon.
  • different plasmas can be generated with two independent plasma nozzles, both of which are introduced into the low-pressure chamber.
  • Different working gases can also be used here in order to achieve different effects.
  • a device for generating a low-pressure plasma which has a low-pressure chamber, a vacuum pump connected to the low-pressure chamber and at least one plasma source connected to the low-pressure chamber for generating a plasma jet.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention for generating a low-pressure plasma in a schematic illustration
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an inventive device for generating a low pressure plasma in a schematic representation
  • FIG. 3 shows a third embodiment of an inventive device for generating a low pressure plasma in a schematic representation.
  • FIG. 1 schematically shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention for generating a low-pressure plasma in a low-pressure chamber 2, to the chamber wall 4 of which a vacuum pump 6 is connected, which is connected to the interior of the low-pressure chamber 2.
  • the vacuum pump 6 evacuates the low pressure chamber 2 and can maintain an adjustable negative pressure even with a constantly supplied gas flow.
  • the vacuum pump 6 has a gas outlet which is connected to an exhaust pipe 7.
  • the low-pressure chamber 2 is also connected to a plasma source 8 for generating a plasma jet.
  • the plasma source 8 can also be referred to as a plasma nozzle, since the plasma jet generated within the nozzle tube 10 exits through a nozzle opening 12 and represents a jet accelerated by the nozzle action and by the plasma pressure within the plasma zone.
  • the plasma source 8 has supply lines for the working gas and for a control.
  • the plasma jet is directed inside the low pressure chamber 2 in the direction of the connection point of the vacuum pump 6.
  • a holder for a workpiece to be machined (not shown) is arranged within the low-pressure chamber 2.
  • a holder for a workpiece to be machined (not shown) is arranged within the low-pressure chamber 2.
  • the holder is designed as a table 14 on which the workpiece can be placed.
  • Relative movements between the workpiece and the plasma source can be used to evenly distribute the plasma to the workpiece, e.g. by rotating the workpiece relative to the plasma source.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the present invention.
  • This exemplary embodiment differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 1 in that two plasma sources 8 and 9 are provided, which are arranged in mutually opposite side walls of the low-pressure chamber 2. Both plasma jets are thus aligned with one another, which increases the swirling of the plasma jets.
  • the vacuum pump 6 is arranged at the bottom of the low-pressure chamber 2.
  • the low-pressure chamber 2 is designed as a tunnel, which can be arranged in a production line.
  • the low-pressure chamber has 2 lock openings 18 and 20 for the insertion and removal of workpieces.
  • the holder is designed as a conveyor belt 22 which adjoins both lock openings 18 and 20 in the interior of the low-pressure chamber 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird und bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird. Die Erfindung betrifft auch verschiedenen Anwendungen des Niederdruckplasmas zum Oberflächenvorbehandeln, zum Oberflächenbeschichten oder zum Behandeln von Gasen. Ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas und Anwendungen des Niederdruckplasmas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas sowie verschiedene Anwendungen dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas bekannt. Diese beruhen im wesentlichen darauf, dass in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird. In die Niederdruckkammer wird gezielt ein Arbeitsgas eingelassen, in dem zwischen zwei Elektroden eine Gasentladung gezündet wird. Das in der Niederdruckkammer enthaltene Arbeitsgas, das auch allgemein ein Gasgemisch sein kann, wird dann durch die Entladung zu einem Plasma angeregt. Das erzeugte Plasma verteilt sich aufgrund thermischer Effekte innerhalb der Niederdruckkammer. Alternativ zur Gasentladung kann die Plasmaanregung auch durch ein Mikrowellenfeld erfolgen.
Derartige Niederdruckplasmen haben den Nachteil, dass deren Intensität aufgrund der geringen Dichte des Arbeitsgases begrenzt ist. Denn für das Erzeugen des Niederdruckplasmas wird ein Unterdruck benötigt, um überhaupt eine Plasmaentladung zünden und aufrecht halten zu können. Je höher aber der Druck in der Niederdruckkammer eingestellt ist, desto niedriger wird die Intensität des Plasmas.
Aus diesen Gründen weisen die bekannten Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Niederdruckplasmas bspw. für die Behandlung eines Werkstückes große Bearbeitungsdauern auf, die einen begrenzenden Faktor für die Effektivität der gesamten Bearbeitung der Werkstücke darstellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die Effektivität der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas und zur Anwendung eines Niederdruckplasmas zu verbessern.
Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird gemäß einer ersten Lehre der Erfindung durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst . Das Verfahren besteht aus den beiden Verfahrensschritten, dass mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird und dass ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird.
Während des Einleitens des Plasmastrahls, der einen höheren Gasdruck als die Niederdruckkammer aufweist, wird die Funktion der Vakuumpumpe aufrecht gehalten, so dass sich ein Gleichgewicht zwischen dem eingelassenen Plasmagas zusammen mit dem verbleibenden Teil des nicht angeregten Arbeitsgases und dem abgepumpten Gas ergibt. Der Gasdruck des Plasmastrahls kann dabei bis zu mehr als Atmosphärendruck betragen. Dadurch breitet sich ein Plasma mit hoher Intensität innerhalb der Niederdruckkammer aus. Entsprechend große Pumpleistungen müssen dabei durch die Vakuumpumpe gewährleistet sein, damit der Niederdruck trotz des Gasstroms aus der Plasmadüse aufrecht gehalten werden kann.
RO/sv 040430WO Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Arbeitsgas unter höheren bis mehr als atmoshärischen Drücken zu einem Plasma angeregt wird und sich somit ein erheblich intensiverer Plasmastrahl ausbildet, als es bei der in der unter Unterdruck stehenden Niederdruckkammer ablaufenden Entladung oder Mikrowellenanregung der Fall ist. Denn dadurch, dass der Plasmastrahl außerhalb der Niederdruckkammer in einer Plasmaquelle erzeugt wird, können dort die höheren Arbeitsgasdrücke eingestellt werden, ohne dass der Druck in der Niederdruckkammer zu stark erhöht wird.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass sich bei unterschiedlichen Unterdrücken in der Niederdruckkammer die Form des austretenden Plasmastrahls verändert. Tritt der Plasmastrahl in Form einer fokussierten Flamme, vergleichbar der Form einer Kerzenflamme, bei Atmosphärendruck aus der Düsenöffnung aus, so weitet sich der Plasmastrahl bei geringer werdenden Unterdrücken immer weiter auf, bis sich der Plasmastrahl ab einem bestimmten Unterdruck kurz nach dem Austreten aus der Düsenöffnung bereits auflöst und sich das Plasma innerhalb der Niederdruckkammer verteilt.
Beispielhaft wird dazu der Unterdruckbereich von 10 mbar bis 300 mbar angegeben, innerhalb dessen sich die zuvor beschriebene Veränderungen des Plasmastrahls ergeben. Dieser Bereich ist bei einem Versuch gefunden worden, soll jedoch nicht beschränkend für die Erfindung verstanden werden. Die jeweiligen Druckverhältnisse und Geometrien innerhalb der Niederdruckkammer und der Druck des in der Plasmaquelle eingesetzten Arbeitsgases beeinflussen wesentlich die Ausformungen des Plasmastrahls bzw. des Plasmas innerhalb der Niederdruckkammer.
RO/sv 040430WO Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund des Niederdruckes in der Niederdruckkammer das Plasma eine längere Verweildauer hat, als es bei einer Plasmaerzeugung unter Atmosphärendruck der Fall ist. Das Plasma kann also für eine längere Zeitdauer genutzt werden, als es bei der bisher bekannten Anwendung der Plasmaquellen der Fall gewesen ist.
Die Plasmaquelle kann in unterschiedlicher Weise den Plasmastrahl erzeugen.
Bevorzugt wird eine Plasmadüsenanordnung eingesetzt, die aus dem Stand der Technik der EP 0 761 415 AI oder der EP 1 335 641 AI bekannt ist. Bei dieser Plasmaquelle wird mittels einer unter Anlegen einer hochfreqμenten Hochspannung in einem Düsenrohr zwischen einer Stiftelektrode und einer Elektrode im Bereich der Düsenöffnung mittels einer nicht-thermischen Entladung aus dem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt, der aus der Düsenöffnung austritt. Dieser nicht-thermische Plasmastrahl weist bei einer geeignet eingestellten Strömungsrate keine elektrischen Funken auf, so dass nur der energiereiche, aber niedrig temperierte Plasmastrahl die Düsenöffnung verlässt. Zur Charakterisierung des Plasmastrahls wird auch von einer hohen Elektronentemperatur und einer niedrigen Ionentemperatur gesprochen.
Beim Stand der Technik der DE 37 33 492 erfolgt das Erzeugen des Plasmastrahls mittels einer Koronaentladung durch eine Ionisation eines Arbeitsgases, bspw. Luft. Die Vorrichtung besteht aus einem Keramikrohr, das an der äußeren Wandung mit einer äußeren Elektrode umgeben ist. Mit wenigen Millimetern Abstand zur Innenwandung des
RO/sv 040430 O Keramikrohres ist eine innere Elektrode als Stab angeordnet. Durch den Spalt zwischen der Innenwandung des Keramikrohres und der inneren Elektrode wird ein ionisierbares Gas wie Luft oder Sauerstoff geleitet. An die beiden Elektroden wird ein hochfrequentes Hochspannungsfeld angelegt, wie es bei einer Koronavorbehandlung von Folien eingesetzt wird. Durch das Wechselfeld wird das durchgeführte Gas ionisiert und tritt am Rohrende aus.
Ebenso ist das Erzeugen eins Plasmastrahls durch Anwendung eines hochfrequenten Spannungsfeldes, beispielsweise eines Mikrowellenfeldes, in einem Arbeitsgas bekannt. Diese Anregungsart kommt ohne das Erzeugen einer Gasentladung aus und ist somit weniger effizient als die zuerst beschriebene Plasmaquelle.
Letztlich kommt es aber auf die Art der Anregung des Arbeitsgases zur Plasmaerzeugung nicht an.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch ein Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung eines Werkstückes in einem Niederdruckplasma gelöst, bei dem ein Werkstück in einer Kammer angeordnet wird, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird, bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird und bei dem die Oberfläche des Werkstückes durch den sich in der Niederdruckkammer ausbreitenden Plasma vorbehandelt wird.
Dieses Verfahren setzt das zuvor erläuterte Verfahren ein, um ein intensives Niederdruckplasma in der Niederdruckkammer zu erzeugen. In dieser mit dem Plasma
RO/sv 040430 O gefüllten Niederdruckkammer wird das Werkstück angeordnet und die Oberfläche des Werkstückes wird vorbehandelt.
Unter einer Vorbehandlung wird dabei verstanden, dass die Oberfläche von Verschmutzungen gereinigt wird und/oder dass Oberflächenschichten abgetragen werden und/oder dass die Oberfläche aktiviert wird.
Die Reinigung der Oberfläche von Verschmutzungen beruht beispielsweise darauf, dass mit Hilfe eines aggressiven Arbeitsgases, beispielsweise Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Pentan oder Gemische daraus aufweisend, ein Plasma mit hoher Energie erzeugt wird, das zu einem Verbrennen oder Umwandeln der Verschmutzungen führt. Damit können insbesondere organische Verschmutzungen wie Fette und Öle von der Oberfläche des Werkstückes abgelöst und entfernt werden. Anwendung findet dieses Verfahren bevorzugt bei metallischen Werkstücken oder Werkstücken aus keramischen Werkstoffen. Das Verfahren kann auch bei Kunststoffen angewendet werden.
Das Entschichten der Oberfläche beruht darauf, dass die Energie des Plasmas in die • Oberflächenschicht eingekoppelt wird und somit zu einem Schmelzen und Verdampfen des Schichtmaterials führt. Das so losgelöste und zumindest teilweise in die Gasphase übergegangene Schichtmaterial kann dann über die Vakuumpumpe entfernt werden.
Die Aktivierung der Oberfläche dient dazu, dass die Oberfläche nach der Vorbehandlung eine bessere Benetzbarkeit für Flüssigkeiten aufzuweist. Die Oberfläche des Werkstückes an sich bleibt dabei im wesentlichen unverändert. Jedenfalls ist angestrebt, physikalische oder chemische Oberflächenveränderungen zu vermeiden.
RO/sv 040430WO Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch ein Verfahren zum Plasmabeschichten eines Werkstückes in einem Niederdruckplasma gelöst, bei dem ein Werkstück in einer Kammer angeordnet wird, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird, bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird, bei dem ein Precursormaterial zugeführt wird, bei dem das Precursormaterial im sich in der Niederdruckkammer ausbreitenden Plasma reagiert und bei dem das Werkstück mit den im Plasma aus dem Precursormaterial entstehenden Reaktionsprodukten zumindest teilweise beschichtet wird.
Somit kann der intensive und sich je nach den Druckverhältnissen mehr oder weniger stark ausbreitende Plasmastrahl auch für das Plasmabeschichten vorteilhaft eingesetzt werden.
Das Precursormaterial, das gasförmig, flüssig oder in festem Zustand vorliegen kann, kann dazu entweder direkt in der Niederdruckkammer oder innerhalb der Plasmaquelle zugeführt werden. Innerhalb der Plasmaquelle kann das Precursormaterial entweder dem Arbeitsgas oder im Bereich der Düsenöffnung dem Plasmastrahl zugeführt werden.
Zum Erzeugen des Plasmastrahls unter Verwendung eines Precursors wird in bevorzugter Weise das Verfahren und die Vorrichtung eingesetzt, die aus der EP 1 230 414 bekannt sind. Hierbei wird das Precursormaterial im Bereich der Düsenöffnung dem Plasmastrahl zugeführt, nachdem das Plasmagas den Bereich der Entladung innerhalb des Düsenrohres verlassen hat. Das Precursormaterial reagiert
RO/sv 040430WO dann im aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahl und die entstehenden Reaktionsprodukte werden beim Auftreffen auf der Oberfläche des Werkstückes aus der Gasphase abgeschieden.
Die oben erläuterte Veränderung der Form des Plasmastrahls bei unterschiedlichen Drücken innerhalb der Niederdruckkammer kann in vorteilhafter Weise dazu eingesetzt werden, um eine flächige Bearbeitung, also das Vorbehandeln oder das Beschichten, vor allem auf der der Plasmaquelle zugewandten Seite des Werkstückes zu erreichen. Der aufgeweitete Plasmastrahl trifft dann vor allem auf diese Fläche, während von der Plasmaquelle abgewandte Oberflächen des Werkstückes abgeschirmt sind. Dazu wird der Druck innerhalb der Niederdruckkammer so eingestellt, dass sich der Plasmastrahl nicht vollständig auflöst, jedoch so stark aufweitet, dass sich ein im Vergleich zur Düsenöffnung großer Querschnitt des Plasmastrahls einstellt. Der Querschnitt des Plasmastrahls kann also durch den Druck innerhalb der Niederdruckkamer sehr genau eingestellt werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann das Werkstück auch relativ zur Niederdruckkammer bzw. zum Plasmastrahl bewegt werden, wodurch verschiedene Seiten des Werkstückes dem aufgeweiteten Plasmastrahl ausgesetzt werden.
Gemäß einer vierten Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch ein Verfahren zum Behandeln eines Gases gelöst, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird, bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in
RO/sv 040430WO die Niederdruckkammer eingeleitet wird und bei dem das zu behandelnde Gas zugeführt wird.
Dabei wird allgemein unter dem Begriff „Gas" jedes Gas oder Gasgemisch verstanden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können in nahezu beliebiger Weise chemische Prozesse in der Gasphase innerhalb der Niederdruckkammer durchgeführt werden, die eine Zufuhr von Energie benötigen und deren Ablauf insbesondere durch die Parameter Größe und Form der Niederdruckkamer, Größe des Druckes in der
Niederdruckkammer und Größe des Gasdruckes des Arbeitsgases in der Plasmaquelle gesteuert werden können. Unter dem Einfluß des Plasma werden die Gase beispielsweise chemisch modifiziert oder fragmentiert.
Das zu behandelnde Gas kann als Arbeitsgas zum Erzeugen des Plasmastrahls innerhalb des Anregungsbereiches der Plasmaquelle eingebracht werden. Das Gas kann auch dem Plasmastrahl im Bereich der Austrittsöffnung der Plasmaquelle zugeführt werden. Des Weiteren kann das Gas auch gesondert von der Plasmaquelle der Niederdruckkammer eingeleitet werden, das sich dann innerhalb der Niederdruckkammer mit dem Plasma vermischt.
In jedem der zuvor beschriebenen Fälle wird die Anregungsenergie des Plasmas dazu genutzt, um eine Reaktion des Gases hervorzurufen. Die Reaktionsprodukte und ggf. verbleibenden Reste des Ausgangsgases werden dann aus der Niederdruckkammer abgesaugt und ggf. weiter verarbeitet.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, durch die Betriebsparameter die Aufenthaltsdauer und somit die
RO/sv 040430 O Dauer der Behandlung des Gases innerhalb der Niederdruckkammer regeln zu können.
Das zuvor beschriebene Verfahren kann insbesondere für eine Abgasreinigung eingesetzt werden. Dazu ist es bevorzugt, das Abgas als Arbeitsgas zu verwenden. Somit können auch größere Abgasmengen kontinuierlich den chemischen Reaktionen in der Niederdruckkammer ausgesetzt werden.
Sämtliche Verfahren der zuvor beschriebenen Art gemäß der ersten vier Lehren der vorliegenden Erfindung können auch in Kombination mit der Anwendung einer herkömmlichen Niederdruckplasmavorrichtung durchgeführt werden. Das bedeutet, dass das Einleiten des Plasmastrahls mittels einer Plasmadüse durch ein Erzeugen eines Niederdruckplasmas innerhalb des Volumens der Niederdruckkammer unterstütz und ergänzt wird. Sämtliche dafür bekannten und oben erläuterten Verfahren zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas können dazu eingesetzt werden.
Ein besonderer Vorteil der Anwendung beider Plasmaerzeugungsarten besteht unter anderem darin, dass innerhalb der Niederdruckkammer gezielt Bereiche mit unterschiedlichen Plasmakonzentrationen erzeugt werden können. So kann beispielsweise eine geringe, aber gleichmäßig verteilte - Konzentration des Plasmas der Niederdruckplasmaerzeugung mit einer konzentrierten Plasmaverteilung in einem bestimmten Bereich, beispielsweise in der Mitte der Niederdruckkammer, überlagert werden.
Ebenso ist es möglich, eines der Plasmen zur Oberflächenvorbehandlung einzusetzen und das andere Plasma zur Plasmabeschichtung einzusetzen. Ebenso können
RO/sv 040430WO unterschiedliche Plasmagase eingesetzt werden, bspw. kann der Plasma der Plasmadüse mit Luft erzeugt werden, während das Niederdruckplasma mit einem Argon enthaltenden Gasgemisch erzeugt wird.
Darüber hinaus können mit zwei unabhängigen Plasmadüsen unterschiedliche Plasmen erzeugt werden, die beide in die Niederdruckkammer eingeleitet werden. Auch hierbei können unterschiedliche Arbeitsgase eingesetzt werden, um unterschiedliche Effekte erzielen zu können.
Gemäß einer fünften Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgezeigte technische Problem durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas gelöst, die eine Niederdruckkammer, eine mit der Niederdruckkammer verbundene Vakuumpumpe und mindestens eine mit der Niederdruckkammer verbundene Plasmaquelle zum Erzeugen eines Plasmastrahls aufweist.
Diese Vorrichtung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer schematischen Darstellung und
RO/sv 040430 O Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer schematischen Darstellung.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in einer Niederdruckkammer 2, an deren Kammerwand 4 eine Vakuumpumpe 6 angeschlossen ist, die mit dem Innenraum der Niederdruckkammer 2 verbunden ist. Im Betrieb evakuiert die Vakuumpumpe 6 die Niederdruckkammer 2 und kann auch bei einem konstant zugeführten Gasstrom einen einstellbaren Unterdruck aufrecht halten. Die Vakuumpumpe 6 weist einen Gasauslass auf, der mit einer Abgasleitung 7 verbünden ist.
Die Niederdruckkammer 2 ist weiterhin mit einer Plasmaquelle 8 zum Erzeugen eines Plasmastrahls verbunden. Die Plasmaquelle 8 kann auch als Plasmadüse bezeichnet werden, da der innerhalb des Düsenrohres 10 erzeugte Plasmastrahl durch eine Düsenöffnung 12 austritt und einen durch die Düsenwirkung und durch den Plasmadruck innerhalb der Plasmazone beschleunigten Strahl darstellt. Die Plasmaquelle 8 weist Zuleitungen für das Arbeitsgas und für eine Ansteuerung auf.
Wie Fig. 1 weiterhin zeigt, ist der Plasmastrahl innerhalb der Niederdruckkammer 2 in Richtung auf die Anschlussstelle der Vakuumpumpe 6 gerichtet.
Des Weiteren ist innerhalb der Niederdruckkammer 2 eine Halterung für ein zu bearbeitendes Werkstück (nicht dargestellt) angeordnet. Im in Fig. 1 dargestellten
RO/sv 040430 O Ausführungsbeispiel ist die Halterung als Tisch 14 ausgebildet, auf dem das Werkstück abgelegt werden kann.
Zur gleichmäßigen Verbreitung des Plasmas auf das Werkstück können Relativbewegungen zwischen Werkstück und Plasmaquelle eingesetzt werden, z.b. durch Drehen des Werkstückes relativ zur Plasmaquelle.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwei Plasmaquellen 8 und 9 vorgesehen sind, die in einander gegenüberliegenden Seitenwänden der Niederdruckkammer 2 angeordnet sind. Beide Plasmastrahlen sind also aufeinander zu ausgerichtet, wodurch die Verwirbelung der Plasmastrahlen vergrößert wird.
Die Vakuumpumpe 6 ist bei dieser Ausführungsform am Boden der Niederdruckkammer 2 angeordnet .
Die Halterung ist gemäß Fig. 2 in Form von zwei nach oben offenen Halteringen 15 ausgebildet, so dass ein aufgelegtes Werkstück nur eine geringe Auflagefläche und weitgehend frei zugängliche Oberflächen aufweist.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die Niederdruckkammer 2 als Tunnel ausgebildet ist, der in einer Fertigungslinie angeordnet sein kann. Dazu weist die Niederdruckkammer 2 Schleusenöffnungen 18 und 20 für ein Ein- und Ausbringen von Werkstücken auf. Die Halterung ist als Förderband 22 ausgebildet, das im Innenraum der Niederdruckkammer 2 an beide Schleusenöffnungen 18 und 20 angrenzt . Zum Ein- und Ausbringen von Werkstücken werden
RO/sv 040430WO die Schleusenöffnungen 18 und 20 geöffnet, so dass über weitere Förderbänder 24 und 26 ein An- und Abtransport von Werkstücken möglich ist.
RO/sv 040430 O

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas, bei dem mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Niederdruckkammer ein Unterdruck erzeugt wird und bei dem ein Plasmastrahl mit höherem Druck in die Niederdruckkammer eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mehr als ein Plasmastrahl in die Niederdruckkammer eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem mittels einer Niederdruckplasmaquelle ein zusätzliches Plasma in der Niederdruckkammer erzeugt wird.
4. Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung eines Werkstückes in einem Niederdruckplasma, bei dem ein Werkstück in einer Niederdruckkammer angeordnet wird, bei dem mit Hilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ein Niederdruckplasma in der Niederdruckkammer erzeugt wird und bei dem die Oberfläche des Werkstückes durch den sich in der Niederdruckkammer ausbreitenden Plasma vorbehandelt wird.
5. Verfahren zum Plasmabeschichten eines Werkstückes in einem Niederdruckplasma, bei dem ein Werkstück in einer Niederdruckkammer angeordnet wird, RO/sv 040430 O bei dem mit Hilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ein Niederdruckplasma in der Niederdruckkammer erzeugt wird, bei dem Precursormaterial zugeführt wird, bei dem das Precursormaterial im sich in der Niederdruckkammer ausbreitenden Plasma reagiert und bei dem das Werkstück mit den im Plasma aus dem Precursormaterial entstehenden Reaktionsprodukten zumindest teilweise beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das gasförmige, flüssige oder feste
Precursormaterial dem Plasma innerhalb der
Plasmaquelle oder in der Niederdruckkammer zugeführt wird.
Verfahren zum Behandeln eines Gases, bei dem mit Hilfe eines Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 3 ein Niederdruckplasma in einer
Niederdruckkammer erzeugt wird und bei dem das zu behandelnde Gas der Niederdruckkammer zugeführt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas, mit einer Niederdruckkammer (2) , mit einer mit der Niederdruckkammer (2) verbundenen
Vakuumpumpe (6) und mit mindestens einer mit der Niederdruckkammer (2) verbundenen Plasmaquelle (8) zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls.
RO/sv 040430 O Vorrichtung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass Schleusen (18,20) in der Niederdruckkammer (2) für einen Ein- und Auslauf von Werkstücken vorgesehen sind.
RO/sv 040430 O
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