WO2009127294A1 - Vorrichtung und verfahren zur inneren oberflächenbehandlung von hohlkörpern - Google Patents

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WO2009127294A1 PCT/EP2009/001471 EP2009001471W WO2009127294A1 WO 2009127294 A1 WO2009127294 A1 WO 2009127294A1 EP 2009001471 W EP2009001471 W EP 2009001471W WO 2009127294 A1 WO2009127294 A1 WO 2009127294A1
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hollow body
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plasma
process gas
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Ralf Spitzl
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Iplas Innovative Plasma Systems Gmbh
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    • H05H1/24—Generating plasma
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    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4622—Microwave discharges using waveguides

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for surface treatment of inner surfaces of pipes or hollow bodies by means of a plasma.
  • plasmas for the internal treatment of pipes or other hollow bodies e.g. generated with a hollow cathode discharge.
  • plasma-assisted coating and surface treatment processes are being developed, which use a hollow cathode discharge for plasma generation.
  • the plasma is generated by a glow discharge, often a low-pressure glow discharge, with a cathode in the form of a hollow body.
  • a disadvantage of the known methods lies in the fact that inhomogeneities in the internal treatment can occur especially with large lengths of the hollow bodies.
  • the object is achieved by a device for internal treatment of hollow bodies, consisting of at least one linear plasma source, which is located within the hollow body.
  • the linear plasma source is preferably fed by microwaves.
  • the simplest possible plasma source consists of a conductive wire.
  • Preferred microwave sources contain a microwave conductor or a microwave resonator with coupling points, which is surrounded by at least one dielectric tube.
  • a plasma forms outside the dielectric tube (surface wave).
  • the plasma source preferably has coupling points which are regularly or irregularly connected. are arranged moderately over the entire length of the plasma source.
  • the plasma source can be pulsed or operated at a constant power.
  • the outermost dielectric tube is porous so that a process gas can be passed inside this tube and exit through the pores.
  • At least one of the dielectric tubes is surrounded by a metallic shield, which allows the microwaves to emerge from the plasma source only in a defined area and thus generates a plasma in a certain spatial area.
  • the metal shield extends over the entire length of the dielectric tube and the exit site consists in particular of a slot or holes in the metal shield.
  • process according to the invention can be carried out with all known process gases. Suitable process gases for various surface treatments are known to the person skilled in the art.
  • the pipe to be treated can be made of all kinds of materials.
  • Preferred materials are metals, semi-metals, metal and semi-metal oxides, polymers, plastics, carbon, ceramics and fiber composites.
  • Particularly preferred are tubes made of steel, aluminum, plastic and carbon or glass fiber composites.
  • the tube inner diameter or the smallest inner diameter of the hollow body is set no limit to the top.
  • the inner diameter can be up to 10 meters.
  • the inner diameter is limited to the largest outer diameter of the plasma source.
  • the inner diameter is between 1 cm and 1 m, preferably between 2 cm and 15 cm.
  • the length of the pipe or of the hollow body can range from a few centimeters to several 100 meters, but it is also possible with the method according to the invention to treat kilometer-long pipes.
  • kilometer-long pipes usually consist of interconnected individual pipes. Preferably, lengths between 0.1 m to 30 m.
  • the length of the plasma source may be smaller than the pipe, in which case the plasma source will be displaced linearly within the pipe to obtain complete internal treatment of the pipe. In particular, this displacement occurs at a constant rate in order to achieve a homogeneous quality of the internal treatment.
  • a plurality of plasma sources in particular 2 to 10 sources, with a plurality of gas supply lines and discharge lines.
  • these sources are arranged in parallel at the same or different distance from the common center of gravity.
  • one or more sources may be eccentric in be arranged the tube and rotate relative to the lateral surface of the tube.
  • a metal casing with an outlet slot and precursor guide, in particular around one of the dielectric tubes can be attached.
  • Such a construction reduces the coating of the source itself, whereby longer service lives can be achieved.
  • the plasma source can be moved relative to the tube.
  • Preferred movements are a translational movement in the longitudinal direction of the tube and a rotational about the longitudinal axis of the tube, in particular by 360 °.
  • a superposition of these movements in the form of a concentric or eccentric screw movement is possible. Since the formation of the microwave plasma depends on the wavelength of the microwaves, in a preferred embodiment, the translational movement takes place in a range of half the wavelength of the microwaves, in particular, the movement of the tube or the plasma source is in a range between 1 mm and 10 cm ,
  • the device or the method can be operated in any position in the room.
  • the average ion energy is only in the thermal range, ie significantly below D
  • this ion energy can be too low for the construction of certain coatings.
  • an ion energy between 10 eV to 500 eV is required for DLC layers (DLC: Diamond-like carbon).
  • DLC Diamond-like carbon
  • a bias voltage is applied thereto.
  • This bias voltage leads to an acceleration of the ions of the plasma or the free electrons directed towards the tube wall.
  • conductive regions of the tube and the plasma source serve as outer and inner electrodes.
  • the microwave resonator is used as the internal electrode.
  • additional conductive arrangements e.g. Metal sheaths or coatings of the dielectric tubes, as well as support structures of the plasma source.
  • an outer electrode is preferably used in metal pipes, the pipe wall. In the internal treatment of non-conductive pipes, these can be surrounded by another conductive tube, which serves as an external electrode.
  • the bias voltage may include all known voltage types. Preferred types of voltage are DC voltage (AC), medium wave (MF) and high frequency (HF).
  • the bias voltage or with variable bias voltage their amplitude should be at most 1 kV, otherwise sputtering effects may occur.
  • the bias voltage is in the range between 1 V and 900 V, more preferably 50 V and 400 V.
  • the polarity at DC is dependent on the charge of the particles with which the pipe wall is to be treated.
  • the process pressure must not be too high.
  • the process pressure is between 1 mbar and 10 "7 mbar, particularly preferably between 0.1 mbar and 10" 5 mbar.
  • This magnetic field is generated by electric or permanent magnets. These magnets are disposed within the tube or mounted outside the tube so that part of their field extends into the interior of the tube. The field strength should be so high that it has the strength for ECR conditions (ECR: Electron cyclotron resonance). This magnetic field generates an ECR plasma.
  • ECR Electron cyclotron resonance
  • the interior of the pipe must be shielded from the atmospheric pressure. This can be achieved by having the entire device together with the tube in a pressure chamber, or by the device containing elements which close the tube at its sides, so that the interior of the tube itself forms the pressure chamber. Preferably, sidewalls are used for this, which close the end faces of the tube so that the process pressure can be generated within the tube.
  • the process gas is passed through an apertured dielectric tube or a porous dielectric tube surrounding at least a portion of the microwave source into the interior of the tube.
  • the process gas receives an additional, directed to the tube wall pulse. Further movement of the process gas to the tube wall can be achieved by rotation of the gas in the tube (centrifugal force) or flow-forming elements between the plasma source and the tube. All of these motion-enhancing elements can also be combined.
  • An improvement in the process gas introduction can also be achieved by a pulsed operation of the plasma source, since the gas can be completely exchanged during the switched-off state of the plasma source. This has a positive effect on the homogeneity of the coating.
  • Possible plasma processes for internal treatment are coatings, functionalizations and activations of surfaces or etching processes.
  • Preferred coatings are coatings with diamond, carbon (DLC), oxide, nitride or carbide layers, as well as combinations of such layers as graded or multilayer layers.
  • Oxidic layers e.g. of glass, titanium oxide, silica, oleum oxide, nitridic layers e.g. of silicon nitride, and carbide layers e.g. made of SiC.
  • OH, NH 2 or NH 3 groups are applied to the surface.
  • Etching processes are preferably used to reduce the surface roughness, the incorporation of defined structures in the surface and the triggering of undesirable components from the surface.
  • the corrosion or friction properties of the inner surfaces of a pipe or other hollow body can be improved, and the pipe or the hollow body can be provided with barrier layers or wear protection. Examples of devices according to the invention are shown in the figures.
  • Figure 1 shows a side view of a device for the internal treatment of pipes, which extends over the entire pipe length.
  • FIG. 2 shows a cross section of the device shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a side view of an apparatus for the internal treatment of pipes which does not extend over the entire pipe length.
  • Figures 4A and 4B sketchily show the movement of a device shown in Figure 3 through a tube.
  • a plasma source runs centrally (see Figure 2) over the entire length of the tube.
  • This plasma source consists of a microwave resonator (2) provided with coupling slots (4) and surrounded by a dielectric tube (3).
  • the tube and the plasma source are closed at the end faces with walls (5, 6), so that in the tube, the process pressure can be generated independently of the external pressure.
  • gas supply pipes (7) which are provided with openings, the process gas flows into the interior of the tube. Due to the microwave radiation emitted by the plasma source, the process gas is ionized and the positive ions move to the inside of the tube due to the voltage (9) between the microwave resonator and the tube wall.
  • the gas supply pipes (7) are preferably made of metal, so that the process gas in front of the microwave lenstrahlen is shielded and is ionized only after exiting the openings (8).
  • a translation (arrow A) or a rotation (arrow B) of the tube (1) optimum homogeneity of the internal treatment is achieved.
  • FIG. 3 shows a possible device which does not extend over the entire tube length.
  • a microwave resonator (2) which, according to the figure 1, can also be provided with coupling slots (not shown here), surrounded by a dielectric tube (3), which is porous in this example.
  • the end faces of this tube are closed by walls 5 and 6, which are dimensioned so that they seal tightly with the inner wall of the pipe to be treated.
  • a feed line for the microwaves (11) and openings (10) through which a process gas can be introduced into the plasma source through hoses (12). Through the pores of this tube, the introduced process gas enters the space between the plasma source and the tube inner wall (arrows).
  • the plasma source is passed through the tube, wherein also in this example, a bias voltage (9) was applied between the microwave resonator and the tube wall.
  • a bias voltage 9 was applied between the microwave resonator and the tube wall.
  • the interior of the tube may contain the process gas and the walls 5 and 6 have a plurality of openings through which the process gas may slowly penetrate into the space of the plasma between the walls of the plasma source.
  • All of the above-mentioned structural and functional parts of the device, such as plasma sources, tubes, tubes, microwave resonators, supply and discharge for process gas, voltage sources or contact points for the bias voltage can, of course, be present multiple times.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Innenflächen von Hohlkörpern, insbesondere von Rohren, mittels eines Plasmas. Dabei besteht die Vorrichtung aus mindestens einer linearen Plasmaquelle, die sich innerhalb des Hohlkörpers befindet.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur inneren Oberflächenbehandlung von Hohlkörpern
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Innenflächen von Rohren oder Hohlkörpern mittels eines Plasmas .
Die Oberflächenbehandlung von Innenflächen von Hohlräumen dient im Allgemeinen der Veränderung der Struktur der Innenwand des Hohlraums . Diese Veränderung kann sowohl die räumliche Gestaltung der Oberfläche betreffen als auch chemischer Natur sein. Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit anstatt dem Ausdruck „Oberflächenbehandlung von Innenflächen" von „Innenbehandlung" gesprochen, wobei dieser Ausdruck sowohl die Aufbringung von Materialien, die Modifikation der Oberfläche, als auch die Abtragung von Material beinhaltet.
Häufig werden Plasmen zur Innenbehandlung von Rohren oder anderen Hohlkörpern z.B. mit einer Hohlkathodenentladung erzeugt. Am Fraunhofer IST werden beispielsweise plasmagestützte Verfahren zur Beschichtung und Oberflächenbehandlung entwickelt, die zur Plasmaerzeugung eine Hohlkathodenentladung nutzen.
Das Plasma wird dabei durch eine Glimmentladung, häufig eine Niederdruck-Glimmentladung, mit einer Kathode in Form eines Hohlkörpers erzeugt. Ein Nachteil der bekannten Verfahren liegt darin, dass gerade bei großen Längen der Hohlkörper Inhomogenitäten bei der Innenbehandlung auftreten können.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche oben aufgeführten Nachteile überwinden und eine verbesserte Innenbehandlung von insbesondere langen Hohlkörpern ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Innenbehandlung von Hohlkörpern, bestehend aus mindestens einer linearen Plasmaquelle, die sich innerhalb des Hohlkörpers befindet, gelöst.
Im Folgenden wird zur Verdeutlichung statt eines Hohlkörpers nur noch von einem Rohr gesprochen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass auch alle möglichen Hohlkörper mit beliebiger Form und beliebigem Querschnitt behandelt werden können, solange der minimale Innendurchmesser so groß ist, dass die Plasmaquelle in den Hohlkörper eingeführt werden kann.
Die lineare Plasmaquelle wird bevorzugt von Mikrowellen gespeist. Die einfachste mögliche Plasmaquelle besteht aus einem leitfähigen Draht. Bevorzugte Mikrowellenquellen enthalten einen Mikrowellenleiter oder einen Mikrowellenresonator mit Koppelstellen, der von mindestens einer dielektrischen Röhre umgeben ist. Dabei bildet sich außerhalb der dielektrischen Röhre ein Plasma aus (Oberflächenwelle) . Um eine optimale Einkopplung der Mikrowellen in den Innenraum des Rohres zu gewährleisten, weist die Plasmaquelle bevorzugt Koppelstellen auf, die regelmäßig oder unregel- mäßig über die gesamte Länge der Plasmaquelle angeordnet sind. Die Plasmaquelle kann gepulst oder mit konstanter Leistung betrieben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die äußerste dielektrische Röhre porös gestaltet, so dass ein Prozessgas im Inneren dieser Röhre geführt werden kann und durch die Poren austritt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der dielektrischen Röhren mit einer metallischen Abschirmung umgeben, welche die Mikrowellen nur in einem definierten Bereich aus der Plasmaquelle austreten lässt und so ein Plasma in einem bestimmten Raumbereich erzeugt. Vorzugsweise reicht die Metallabschirmung über die gesamte Länge des dielektrischen Rohres und die Austrittsstelle besteht insbesondere aus einem Schlitz oder Löchern in der Metallabschirmung .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit allen bekannten Prozessgasen durchgeführt werden. Geeignete Prozessgase für verschiedenste Behandlungen von Oberflächen sind dem Fachmann bekannt .
Das zu behandelnde Rohr kann aus allen möglichen Materialien bestehen. Bevorzugte Materialien sind Metalle, Halbmetalle, Metall- und Halbmetalloxide, Polymere, Kunststoffe, Kohlenstoff, Keramik und Faserverbundstoffe. Besonders bevorzugt sind Rohre aus Stahl, Aluminium, Kunststoff und Kohle- oder Glasfaserverbundstoffen. Dem Rohrinnendurchmesser oder dem kleinsten Innendurchmesser des Hohlkörpers ist nach oben hin keine Grenze gesetzt. Bevorzugt kann der Innendurchmesser bis 10 Meter betragen. Nach unten hin ist der Innendurchmesser auf den größten Außendurchmesser der Plasmaquelle begrenzt. Bevorzugt liegt der Innendurchmesser zwischen 1 cm und 1 m, vorzugsweise zwischen 2 cm und 15 cm.
Die Länge des Rohres oder des Hohlkörpers kann von einigen Zentimetern bis zu mehreren 100 Metern reichen, jedoch ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, kilometerlange Rohre zu behandeln. Solche kilometerlangen Rohrleitungen bestehen jedoch meist aus miteinander verbundenen Einzelrohren. Bevorzugt sind Längen zwischen 0,1 m bis 30 m.
In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere bei großen Rohrlängen, kann die Länge der Plasmaquelle kleiner als das Rohr sein, wobei die Plasmaquelle in diesem Falle linear innerhalb des Rohres verschoben wird, um eine vollständige Innenbehandlung des Rohres zu erhalten. Insbesondere geschieht diese Verschiebung mit einer konstanten Geschwindigkeit, um eine homogene Qualität der Innenbehandlung zu erreichen.
Bei großen Rohren können auch mehrere Plasmaquellen, insbesondere 2 bis 10 Quellen, mit mehreren Gaszuleitungen und -ableitungen eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Quellen parallel in gleichem oder unterschiedlichem Abstand zu dem gemeinsamen Schwerpunkt angeordnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können eine oder mehrere Quellen exzentrisch in dem Rohr angeordnet sein und relativ zu der Mantelfläche des Rohres rotieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine Metallummantelung mit einem Austrittsschlitz und Precur- sorführung, insbesondere um eine der dielektrischen Röhren, angebracht werden. Durch einen solchen Aufbau wird die Be- schichtung der Quelle selber vermindert, wodurch längere Standzeiten erreicht werden können.
Zur Verbesserung der Homogenität der Innenbehandlung kann die Plasmaquelle relativ zum Rohr bewegt werden. Bevorzugte Bewegungen sind eine translatorische Bewegung in Längsrichtung des Rohres und eine rotatorische um die Längsachse des Rohres, insbesondere um 360°. Zudem ist eine Überlagerung dieser Bewegungen in Form einer konzentrischen oder exzentrischen Schraubenbewegung möglich. Da die Ausbildung des Mikrowellenplasmas von der Wellenlänge der Mikrowellen abhängt, findet in einer bevorzugten Ausführungsform die translatorische Bewegung in einem Bereich der halben Wellenlänge der Mikrowellen statt, insbesondere erfolgt die Bewegung des Rohres oder der Plasma- quelle in einem Bereich zwischen 1 mm und 10 cm.
Die Vorrichtung bzw. das Verfahren kann in jeder Lage im Raum betrieben werden. Bei langen Rohren kann es vorteilhaft sein, die Vorrichtung vertikal zu betreiben, wobei die Längsachse des Rohres vertikal zum Boden steht, um eine Durchbiegung des Rohres zu vermeiden.
In Mikrowellenplasmen liegt die mittlere Ionenenergie lediglich im thermischen Bereich, d.h. deutlich unter D
0,1 eV. Diese Ionenenergie kann zum einen für den Aufbau von bestimmten Beschichtungen zu gering sein. Beispielsweise wird für DLC-Schichten (DLC: Diamond-like carbon) eine Ionenenergie zwischen 10 eV bis 500 eV benötigt. Zum anderen ist es vorteilhaft, wenn sich die Ionen oder die Elektronen zu der Rohrinnenwand hinbewegen, da dadurch die Dichte der Ionen oder Elektronen an der Rohrwand erhöht wird und somit die Bearbeitungsgeschwindigkeit gesteigert wird.
Zwischen dem Rohr und der Plasmaquelle, die voneinander isoliert sind, wird dazu eine Biasspannung angelegt. Diese BiasSpannung führt zu einer zur Rohrwand gerichteten Beschleunigung der Ionen des Plasmas oder der freien Elektronen. Dabei dienen leitende Bereiche des Rohres und der Plasmaquelle als äußere und innere Elektrode. Vorzugsweise wird der Mikrowellenresonator als innere Elektrode verwendet. Eine andere bevorzugte Möglichkeit sind zusätzliche leitende Anordnungen, z.B. Metallummante- lungen oder -beschichtungen der dielektrischen Röhren, sowie Haltestrukturen der Plasmaquelle.
Als äußere Elektrode dient bei Metallrohren vorzugsweise die Rohrwand. Bei der Innenbehandlung von nichtleitenden Rohren können diese von einem weiteren leitenden Rohr umgeben werden, das als äußere Elektrode dient.
Die Biasspannung kann alle bekannten Spannungsarten beinhalten. Bevorzugte Spannungsarten sind Gleichspannung (DC) WechselSpannung (AC) , Mittelwellen (MF) und Hochfrequenz - Spannungen (HF) .
Die Biasspannung bzw. bei veränderlicher Biasspannung deren Amplitude sollte höchstens 1 kV betragen, da ansonsten Sputtereffekte auftreten können. Vorzugsweise liegt die Biasspannung im Bereich zwischen 1 V und 900 V, besonders bevorzugt 50 V und 400 V. Die Polarität bei Gleichspannung ist dabei von der Ladung der Teilchen abhängig, mit denen die Rohrwand behandelt werden soll.
Damit die Elektronen oder Ionen die durch das elektrische Feld der Biasspannung gelieferte Energie auch aufnehmen können, darf der Prozessdruck nicht zu hoch sein. Bevorzugt liegt der Prozessdruck zwischen 1 mbar und 10"7 mbar, besonders bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 10"5 mbar.
Da bei niedrigen Drücken eine Plasmaerzeugung erschwert ist, befindet sich in einer bevorzugten Ausführungsform ein zusätzliches Magnetfeld in dem Rohr. Dieses Magnetfeld wird durch Elektro- oder Permanentmagnete erzeugt. Diese Magnete sind innerhalb des Rohres angeordnet oder außerhalb des Rohres dermaßen angebracht, dass ein Teil ihres Feldes in den Innenraum des Rohres hineinreicht. Die Feldstärke sollte dabei so groß sein, dass es die Stärke für ECR-Bedingungen aufweist (ECR: Electron cyclotron resonan- ce) . Durch dieses Magnetfeld wird ein ECR-Plasma erzeugt.
Da ein Prozessdruck unterhalb des Atmosphärendrucks verwendet wird, muss der Innenraum des Rohres von dem Atmosphärendruck abgeschirmt sein. Dies kann erreicht werden, indem sich die gesamte Vorrichtung samt Rohr in einer Druckkammer befindet, oder indem die Vorrichtung Elemente beinhaltet, welche das Rohr an seinen Seiten verschließen, so dass der Innenraum des Rohres selber die Druckkammer bildet. Vorzugsweise werden dazu Seitenwände verwendet, welche die Stirnseiten des Rohres so verschließen, dass innerhalb des Rohres der Prozessdruck erzeugt werden kann.
Zur Zu- und Abfuhr des Prozessgases dienen bevorzugt Öffnungen in den Seitenwänden des Rohres oder zusätzliche Rohre mit entsprechenden Öffnungen zwischen Plasmaquelle und Rohr. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Prozessgas durch eine mit Öffnungen versehene dielektrische Röhre oder eine poröse dielektrische Röhre, welche zumindest einen Teil der Mikrowellenquelle umgibt, in den Innenraum des Rohres geleitet.
Insbesondere bei der Ausführungsform mit einer porösen dielektrischen Röhre erhält das Prozessgas einen zusätzlichen, zur Rohrwand gerichteten Impuls. Eine weitere Bewegung des Prozessgases zur Rohrwand kann durch eine Rotation des Gases im Rohr (Fliehkraft) oder strömungsformende Elemente zwischen Plasmaquelle und Rohr erreicht werden. Alle diese bewegungsfördernden Elemente können auch kombiniert werden.
Eine Verbesserung der Prozessgaseinleitung kann auch durch einen gepulsten Betrieb der Plasmaquelle erreicht werden, da während des ausgeschalteten Zustandes der Plasmaquelle das Gas komplett ausgetauscht werden kann. Dies wirkt sich positiv auf die Homogenität der Beschichtung aus.
Ein ähnlicher Effekt ist bei schlitzförmigen Plasmaquellen erreichbar, die relativ zur Rohrwand rotieren. In den Bereichen, in denen durch den Schlitz bedingt kein Plasma vorliegt, kann solange ein Gasaustausch problemlos statt- finden, bis dieser Bereich aufgrund der Drehung wieder von den Mikrowellen angeregt wird.
Mögliche Plasmaprozesse zur Innenbehandlung sind Beschich- tungen, Funktionalisierungen und Aktivierungen von Oberflächen oder Ätzprozesse. Bevorzugte Beschichtungen sind dabei Beschichtungen mit Diamant, Kohlenstoff (DLC) , oxidische, nitridische oder karbidische Schichten, wie auch Kombinationen solcher Schichten als gradierte oder multilayer Schichten.
Dabei bestehen oxidische Schichten z.B. aus Glas, Titanoxid, Siliziumoxid, Αluminiumoxid, nitridische Schichten z.B. aus Siliziumnitrid, und karbidische Schichten z.B. aus SiC.
Bei der Funktionalisierung oder Aktivierung von Oberflächen werden z.B. OH-, NH2-, oder NH3-Gruppen auf die Oberfläche aufgebracht.
Ätzprozesse dienen bevorzugt einer Verminderung der Oberflächenrauhigkeit, der Einarbeitung von definierten Strukturen in die Oberfläche und dem Auslösen unerwünschter Bestandteile aus der Oberfläche.
Selbstverständlich besteht die Möglichkeit einer Kombination der oben genannten Prozesse, z.B. einem ersten Ätzschritt, gefolgt von einer Beschichtung.
Mit der erfindungsgemäßen Innenbehandlung können die Korrosions- oder Reibungseigenschaften der inneren Oberflächen eines Rohres oder anderen Hohlkörpers verbessert werden, und das Rohr oder der Hohlkörper mit Barriereschichten oder einem Verschleißschutz ausgestattet werden. Beispiele für erfindungsgemäße Vorrichtungen sind in den Abbildungen dargestellt.
Figur 1 zeigt in Seitenansicht eine Vorrichtung zur Innenbehandlung von Rohren, welche über die komplette Rohrlänge reicht.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Innenbehandlung von Rohren welche, nicht über die gesamte Rohrlänge reicht .
Figuren 4A und 4B zeigen skizzenhaft die Bewegung einer in Figur 3 dargestellten Vorrichtung durch ein Rohr.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung ermöglicht die Innenbehandlung eines Rohres (1) . Eine Plasmaquelle verläuft zentral (siehe Figur 2) über die gesamte Länge des Rohres. Diese Plasmaquelle besteht dabei aus einem mit Koppelschlitzen (4) versehenen und von einer dielektrischen Röhre (3) umgebenen Mikrowellenresonator (2) . Das Rohr und die Plasmaquelle sind an den Stirnseiten mit Wänden (5, 6) verschlossen, so dass in dem Rohr der Prozessdruck unabhängig vom Außendruck erzeugt werden kann. Durch Gaszuführungsrohre (7), welche mit Öffnungen versehen sind, strömt das Prozessgas in den Innenraum des Rohres. Durch die von der Plasmaquelle abgegebenen Mikrowellenstrahlen wird das Prozessgas ionisiert und die positiven Ionen bewegen sich aufgrund der Spannung (9) zwischen Mikrowellenresonator und Rohrwand zur Innenseite des Rohres. Die Gaszuführungsrohre (7) bestehen vorzugsweise aus Metall, so dass das Prozessgas vor den Mikrowel- lenstrahlen abgeschirmt wird und erst nach dem Austritt aus den Öffnungen (8) ionisiert wird. Durch eine Translation (Pfeil A) oder eine Rotation (Pfeil B) des Rohres (1) wird eine optimale Homogenität der Innenbehandlung erreicht .
In Figur 3 ist eine mögliche Vorrichtung dargestellt, welche nicht über die gesamte Rohrlänge reicht. Bei dieser Plasmaquelle ist ein Mikrowellenresonator (2) , die, entsprechend der Figur 1, auch mit Koppelschlitzen versehen sein kann (hier nicht dargestellt) , von einem dielektrischen Rohr (3) umgeben, das in diesem Beispiel porös ist. Die Stirnseiten dieses Rohres sind durch Wände 5 und 6 verschlossen, die so dimensioniert sind, dass sie mit der Innenwand des zu behandelnden Rohres dicht abschließen. An einer Seite der Seitenwände befindet sich eine Zuleitung für die Mikrowellen (11) und Öffnungen (10) , durch die ein Prozessgas in die Plasmaquelle durch Schläuche (12) eingeleitet werden kann. Durch die Poren dieses Rohres tritt das eingeleitete Prozessgas in den Raum zwischen der Plasmaquelle und der Rohrinnenwand ein (Pfeile) .
Wie in den Figuren 4A und 4B dargestellt, wird die Plasmaquelle durch das Rohr geführt, wobei auch in diesem Beispiel zwischen dem Mikrowellenresonator und der Rohrwand eine Biasspannung (9) angelegt wurde. In einer Abwandlung des Beispiels kann der Innenraum des Rohres das Prozessgas enthalten und die Wände 5 und 6 weisen mehrere Öffnungen auf, durch die das Prozessgas langsam in den Raum des Plasmas zwischen den Wänden der Plasmaquelle eindringen kann. Alle oben genannten strukturellen und funktionalen Teile der Vorrichtung wie z.B. Plasmaquellen, Röhren, Rohre, Mikrowellenresonatoren, Zu- und Abführungen für Prozessgas, Spannungsquellen oder Kontaktstellen für die Biasspannung können selbstverständlich mehrfach vorhanden sein.

Claims

I OAnsprüche
1. Vorrichtung zur Innenbehandlung von Hohlkörpern, bestehend aus mindestens einer linearen Plasmaquelle, die sich innerhalb des Hohlkörpers befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle von Mikrowellen gespeist wird und vorzugsweise einen Mikrowellenleiter oder Mikrowellenresonator mit Koppelstellen enthält, der von mindestens einer dielektrischen Röhre umgeben ist, wobei sich außerhalb der dielektrischen Röhre ein Plasma ausbildet.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle gepulst oder mit konstanter Leistung betrieben wird, wobei vorzugsweise die Plasmaquelle relativ zum Hohlkörper bewegt wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußerste dielektrische Röhre porös gestaltet ist und mindestens ein Prozessgas oder ein Teil des Prozessgases im Inneren dieser Röhre geführt wird, das durch die Poren austritt.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der dielektrischen Röhren mit einer metallischen Abschirmung umgeben ist, welche die Mikrowellen nur in einem definierten Bereich aus der Plasmaquelle austreten lässt und so ein Plasma in einem bestimmten Raumbereich erzeugt.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu behandelnde Hohlkörper Materialien aus der Gruppe der Metalle, Halbmetalle, Metall- und Halbmetalloxide, Polymere, Kunststoffe, Kohlenstoff, Keramik und Faserverbundstoffe enthält.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Innendurchmesser des Hohlkörpers kleiner als 10 Meter ist, und vorzugsweise zwischen 1 cm und Im, besonders bevorzugt zwischen 2 cm und 15 cm liegt, und die Länge des Hohlkörpers von einigen Zentimetern bis zu mehreren 100 Metern reicht, bevorzugt 0,1 m bis 30 m.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1 bis 10 Plasmaquellen mit mehreren Gaszuleitungen und -ableitungen verwendet werden, wobei die Plasmaquellen vorzugsweise parallel in gleichem oder unterschiedlichem Abstand zu dem gemeinsamen Schwerpunkt oder exzentrisch in dem Rohr angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle relativ zum Rohr bewegt wird, vorzugsweise in einer Bewegung der Gruppe Translation und Rotation, wobei eine Translation vorzugsweise im Bereich der halben Wellenlänge der Mikrowellen stattfindet, insbesondere im Bereich zwischen
1 mm und 10 cm, und die Rotation vorzugsweise 360° beträgt,
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Rohres vertikal zum Boden steht, um eine Durchbiegung des Rohres zu vermeiden.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlkörper und der Plasmaquelle eine Biasspannung angelegt wird, wobei vorzugsweise die leitenden Bereiche des Rohres und der Plasmaquelle als äußere und innere Elektrode dienen.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biasspannung eine Spannungsart der Gruppe Gleichspannung (DC) , Wechselspannung (AC) , Mittelwellen (MF) und HochfrequenzSpannungen
(HF) aufweist und vorzugsweise im Bereich zwischen 1 V und 900 V, besonders bevorzugt 50 V und 400 V liegt.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck zwischen 1 mbar und 10"7 mbar, besonders bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 10"5 mbar liegt.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Elektro- oder Permanentmagnete innerhalb des Rohres oder außerhalb des Rohres befinden, so dass zumindest ein Teil ihres Feldes in den Innenraum des Rohres hineinreicht und die Feldstärke im Innenraum die Stärke für ECR-Bedingungen aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Verschlusselemente umfasst, welche den Hohlkörper an seinen Seiten verschließen, vorzugsweise Seitenwände an den Stirnseiten des Hohlkörpers, wobei die Verschlusselemente Öffnungen zur Zu- und Ableitung von Prozessgasen haben.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Prozessgasrohre aufweist, die in der Vorrichtung verlaufen, wobei die Prozessgasrohre vorzugsweise Öffnungen zum Ein- oder Austritt von Prozessgasen aufweisen und diese Öffnungen vorzugsweise über die gesamte Länge der Prozessgasrohre verteilt sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle über die gesamte Länge des Hohlkörpers verläuft.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass die Plasmaquelle über einen Teil der Länge des Hohlkörpers verläuft und in dem Hohlkörper verschoben wird.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle Seitenwände aufweist, deren Form dem Innenquerschnitt des Hohlkörpers entsprechen.
20. Verfahren zur Innenbehandlung von Hohlkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasma mittels mindestens einer linearen Plasmaquelle erzeugt wird, wobei sich die Plasmaquelle innerhalb des Hohlkörpers befindet.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle von Mikrowellen gespeist wird, vorzugsweise von einem Mikrowellenleiter oder Mikrowellenresonator mit Koppelstellen, der von mindestens einer dielektrischen Röhre umgeben ist, wobei sich außerhalb der dielektrischen Röhre ein Plasma ausbildet.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle gepulst oder mit konstanter Leistung betrieben wird, wobei vorzugsweise die Plasmaquelle relativ zum Hohlkörper bewegt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Prozessgas oder ein Teil des Prozessgases durch die äußerste dielektrische Röhre, die porös gestaltet ist, geführt wird, und durch die Poren austritt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet , dass der zu behandelnde Hohlkörper Materialien aus der Gruppe der Metalle, Halbmetalle, Metall- und Halbmetalloxide, Polymere, Kunststoffe, Kohlenstoff, Keramik und Faserverbundstoffe enthält, und dass der kleinste Innendurchmesser des Hohlkörpers vorzugsweise kleiner als 10 Meter ist und vorzugsweise zwischen 1 cm und 1 m, besonders bevorzugt zwischen 2 cm und 15 cm liegt, und dass die Länge des Hohlkörpers von einigen Zentimetern bis zu mehreren 100 Metern reicht, bevorzugt 0,1 m bis 30 m.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet , dass die Plasmaquelle über die gesamte Länge des Hohlkörpers verläuft.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle über einen Teil der Länge des Hohlkörpers verläuft und in dem Hohlkörper verschoben wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet , dass 1 bis 10 Plasmaquellen mit mehreren Gaszuleitungen und -ableitungen verwendet werden, wobei die Plasmaquellen vorzugsweise parallel in gleichem oder unterschiedlichem Abstand zu dem gemeinsamen Schwerpunkt oder exzentrisch in dem Rohr angeordnet sind.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet , dass die Plasmaquelle relativ zum Rohr bewegt wird, vorzugsweise in einer Bewegung der Gruppe Translation und Rotation, wobei eine Translation vorzugsweise im Bereich der halben Wellenlänge der Mikrowellen stattfindet, insbesondere im Bereich zwischen 1 mm und
10 cm, und die Rotation vorzugsweise 360° berträgt .
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Rohres vertikal zum Boden steht, um eine Durchbiegung des Rohres zu vermeiden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlkörper und der Plasmaquelle eine Biasspannung angelegt wird, die vorzugsweise eine Spannungsart der Gruppe Gleichspannung (DC) , Wechsel - Spannung (AC) , Mittelwellen (MF) und HochfrequenzSpannungen (HF) aufweist und vorzugsweise im Bereich zwischen
1 V und 900 V, besonders bevorzugt 50 V und 400 V liegt, wobei vorzugsweise die leitenden Bereiche des Rohres und der Plasmaquelle als äußere und innere Elektrode dienen.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet , dass der Prozessdruck zwischen 1 mbar und 10"7 mbar, besonders bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 10"5 mbar liegt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet , dass sich Elektro- oder Permanentmagnete innerhalb des Rohres oder außerhalb des Rohres befinden, so dass zumindest ein Teil ihres Feldes in den Innenraum des Rohres hineinreicht und die Feldstärke im Innenraum die Stärke für ECR-Bedingungen aufweist.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas durch Öffnungen in Verschlusselementen der Vorrichtung eingeleitet wird, wobei die Verschlusselemente den Hohlkörper an seinen Seiten verschließen.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet , dass das Prozessgas durch Prozessgasrohre in den Raum zwischen Hohlkörper und Plasmaquelle eingeleitet wird, wobei die Prozessgasrohre in der Vorrichtung verlaufen, und vorzugsweise Öffnungen zum Ein- oder Austritt von Prozessgasen aufweisen, und wobei diese Öffnungen vorzugsweise über die gesamte Länge der Prozessgasrohre verteilt sind.
35. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder einem Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34 zur Innenbehandlung von Hohlkörpern, insbesondere von Rohren, wobei die Innenbehandlung vorzugsweise ein Prozess aus der Gruppe Beschichtungen, Funktionalisierungen und Aktivierungen von Oberflächen und Ätzprozessen ist,
36. Verwendung nach Anspruch 35 zur Verbesserung der Korrosions- oder Reibungseigenschaften der inneren Oberflächen eines Hohlkörpers, oder der Ausstattung des Hohlkörpers mit Barriereschichten oder einem Verschleißschutz .
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