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DE102011005834A1 - Monitoring plasma or flame at atmospheric pressure, comprises measuring optical emission of plasma or flame by spectrometer and determining based on characteristics of plasma or flame, and using intensity-calibrated spectrometer - Google Patents

Monitoring plasma or flame at atmospheric pressure, comprises measuring optical emission of plasma or flame by spectrometer and determining based on characteristics of plasma or flame, and using intensity-calibrated spectrometer Download PDF

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DE102011005834A1
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plasma
flame
determined
spectrometer
optical emissions
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DE102011005834A
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German (de)
Inventor
Bernd Grünler
Kerstin Horn
Thomas Schütte
Christian Tiller
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Plasus Ingenieurbuero Dr Thomas Schuette
SURA INSTR GmbH
SURA INSTRUMENTS GmbH
Innovent eV Technologieentwicklung
Original Assignee
PLASUS INGENIEURBUERO DR THOMAS SCHUETTE
SURA INSTR GmbH
SURA INSTRUMENTS GmbH
Innovent eV Technologieentwicklung
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Publication date
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Abstract

Monitoring a plasma or a flame at atmospheric pressure, comprises measuring optical emission of the plasma or flame by means of a spectrometer (3) and determining based on the characteristics of the plasma or flame, where an intensity-calibrated spectrometer is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Plasmas oder einer Flamme.The invention relates to a method for monitoring a plasma or a flame.

Die Behandlung und Veredelung von Werkstoffoberflächen spielt eine wichtige Rolle zur Verbesserung von Materialeigenschaften, der Optimierung von Fertigungsprozessen und dem sparsamen Einsatz von Rohstoffen. Dabei haben sich in den vergangenen Jahren Oberflächenfunktionalisierungen durch den Einsatz von Plasma oder Beflammungsverfahren fest etabliert. Insbesondere die Plasmaverfahren zeichnen sich durch vergleichsweise hohe Energie- und Rohstoff-Effizienz und Umweltverträglichkeit aus.The treatment and refinement of material surfaces plays an important role in the improvement of material properties, the optimization of manufacturing processes and the economical use of raw materials. In recent years, surface functionalizations have become firmly established through the use of plasma or flame treatment methods. In particular, the plasma processes are characterized by comparatively high energy and raw material efficiency and environmental compatibility.

Für eine Absicherung der Produktqualität im Herstellungsprozess sind Prozessüberwachungen und Qualitätskontrollen unverzichtbar. Eine Steuerung dieser Prozesse erfolgt über die Kontrolle bzw. Optimierung von Prozessparametern wie Plasmaleistung, Kontaktzeit, Variation der Prozessgas-Zusammensetzung oder Zugabe von Precursor-Substanzen für eine Schichtabscheidung. Ein Erfolg des jeweiligen Produktionsschrittes wird im Nachhinein am erzeugten Zwischen- oder Endprodukt kontrolliert. Durch Versuch und Irrtum kann so der für das gewünschte Behandlungsergebnis geeignetste Satz von Prozessparametern ermittelt werden.To ensure product quality in the manufacturing process, process monitoring and quality controls are indispensable. These processes are controlled via the control or optimization of process parameters such as plasma power, contact time, variation of the process gas composition or addition of precursor substances for a layer deposition. A success of the respective production step is checked retrospectively on the produced intermediate or end product. By trial and error, the most suitable set of process parameters for the desired treatment result can be determined.

Aus [ E. Schmachtenberg, A. Hegenbart, „Überwachung von Plasmaprozessen durch OES”, Vakuum in Forschung und Praxis 17 (2005), Nr. 6, 318–323 .] ist bekannt, Plasmaprozesse, beispielsweise zur Behandlung von Kunststoffbauteilen zum Zwecke der Prozessprotokollierung und Qualitätssicherung online mittels optischer Emissionsspektroskopie zu überwachen. Die Plasmabehandlung erfolgt bei Niederdruck in einer Prozesskammer. Die optische Emissionsspektroskopie misst Emissionen des Plasmastrahls, anhand deren Charakteristika des Plasmastrahls ermittelt werden.Out [ E. Schmachtenberg, A. Hegenbart, "Monitoring Plasma Processes by OES", Vacuum in Research and Practice 17 (2005), No. 6, 318-323 .] is known to monitor plasma processes, for example, for the treatment of plastic components for the purpose of process logging and quality assurance online by means of optical emission spectroscopy. The plasma treatment is carried out at low pressure in a process chamber. Optical emission spectroscopy measures emissions of the plasma jet, which are used to determine the characteristics of the plasma jet.

Aus der US 2005/0068519 A1 sind ein Verfahren und ein System zur Überwachung des Status einer Systemkomponente in einer Prozesskammer bekannt. Die Systemkomponente wird Licht aus einer Lichtquelle ausgesetzt. Die Interaktion des Lichts mit der Systemkomponente wird überwacht um den Status der Systemkomponente zu ermitteln. Zur Überwachung eines Beschichtungsprozesses in einer Vakuum- oder Nichtvakuumumgebung, beispielsweise mittels Plasma, wird beispielsweise ein Infrarotspektrometer verwendet, das Informationen über eine Gaszusammensetzung liefert.From the US 2005/0068519 A1 For example, a method and system for monitoring the status of a system component in a process chamber is known. The system component is exposed to light from a light source. The interaction of the light with the system component is monitored to determine the status of the system component. To monitor a coating process in a vacuum or non-vacuum environment, such as by plasma, for example, an infrared spectrometer is used, which provides information about a gas composition.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung eines Plasmas oder einer Flamme anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved method for monitoring a plasma or a flame.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a method having the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung eines Plasmas oder einer Flamme bei Atmosphärendruck werden mittels eines Spektrometers optische Emissionen des Plasmas oder der Flamme berührungsfrei gemessen. Anhand der Emissionen werden Charakteristika des Plasmas oder der Flamme ermittelt. Erfindungsgemäß wird ein intensitätskalibriertes Spektrometer verwendet, das heißt die Strahlung von unterschiedlichen Linien in unterschiedlichen Spektralbereichen kann absolut miteinander verglichen werden. Auf diese Weise ist eine absolute Aussage über Parameter des Plasmas oder der Flamme bei Atmosphärendruck möglich.In a method according to the invention for monitoring a plasma or a flame at atmospheric pressure, optical emissions of the plasma or the flame are measured without contact by means of a spectrometer. The emissions are used to determine the characteristics of the plasma or the flame. According to the invention, an intensity-calibrated spectrometer is used, that is to say the radiation of different lines in different spectral ranges can be absolutely compared with one another. In this way an absolute statement about parameters of the plasma or the flame at atmospheric pressure is possible.

Die optische Emissionsspektroskopie bietet die Möglichkeit der In-Situ-Messung im Prozess ohne dessen Beeinflussung, da die Messung berührungslos erfolgt.The optical emission spectroscopy offers the possibility of in-situ measurement in the process without its influence, since the measurement is non-contact.

Durch die Analyse für den jeweiligen Prozess geeigneter Spektrallinien und Spektralbanden und die direkte Auswertung der Verläufe der Spektrallinien und Spektralbanden kann im laufenden Prozess eine Qualitätssicherung erreicht werden. Über die spektrale Plasma-Analyse und entsprechendes Monitoring zur Stabilitätskontrolle der Prozesse kann eine Prozesskontrolle zur Prozesssicherung und Qualitätsgarantie realisiert werden.Through the analysis for the respective process of suitable spectral lines and spectral bands and the direct evaluation of the progressions of the spectral lines and spectral bands, a quality assurance can be achieved in the ongoing process. By means of the spectral plasma analysis and corresponding monitoring for the stability control of the processes, a process control for process assurance and quality guarantee can be realized.

In den gemessenen optischen Emissionen kann mindestens eines der folgenden Charakteristika ermittelt werden:

  • – Verlauf mindestens eines Spektralbands,
  • – Vorkommen bestimmter Partikel,
  • – Partikeldichte,
  • – zeitliche Variation der Partikeldichte
  • – Struktur einer Molekülstrahlung, insbesondere Molekülemission, Molekülbanden.
In the measured optical emissions at least one of the following characteristics can be determined:
  • - course of at least one spectral band,
  • - occurrence of certain particles,
  • - particle density,
  • - temporal variation of the particle density
  • Structure of molecular radiation, in particular molecular emission, molecular bands.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird aus einem Verhältnis von Vibrationsbanden eines Molekülübergangs eine Vibrationstemperatur eines Moleküls ermittelt, wobei aus einem Verhältnis von Rotationslinien eine Rotationstemperatur eines Moleküls ermittelt wird. Eine Gesamtstrahlung des Moleküls wird aus der Vibrationstemperatur und aus der Rotationstemperatur ermittelt, wobei eine Anzahl der Moleküle aus der Gesamtstrahlung ermittelt wird. Die Ermittlung der Gesamtstrahlung eines Moleküls ist nur mit einem intensitätskalibrierten Spektrometer möglich. Die ermittelte Gesamtstrahlung kann dann beispielsweise für die Aktinometrie von Molekülteilchendichten verwendet.In one embodiment of the invention, a vibration temperature of a molecule is determined from a ratio of vibrational bands of a molecule transition, wherein a rotational temperature of a molecule is determined from a ratio of rotational lines. A total radiation of the molecule is determined from the vibration temperature and from the rotation temperature, wherein a number of the molecules is determined from the total radiation. The determination of the total radiation of a molecule is only possible with an intensity-calibrated spectrometer. The determined total radiation can then be used, for example, for the actinometry of molecular particle densities.

In den gemessenen optischen Emissionen wird bevorzugt eine Selbstabsorption von Strahlungslinien ermittelt und bei der Ermittlung der Charakteristika berücksichtigt. Die Linienselbstabsorption spielt aufgrund der geringen Teilchendichte in Vakuumprozessen kaum eine Rolle. Es ist jedoch vorteilhaft, sie bei der sehr viel größeren Teilchendichte bei Atmosphärendruck zu berücksichtigen. In the measured optical emissions, a self-absorption of radiation lines is preferably determined and taken into account in the determination of the characteristics. The line self-absorption hardly plays a role due to the low particle density in vacuum processes. However, it is advantageous to consider them at the much larger particle density at atmospheric pressure.

Mittels Aktinometrie kann über ein Intensitätsverhältnis von Spektrallinien und/oder Molekülbanden unterschiedlicher Spezies ein Teilchendichteverhältnis der unterschiedlichen Spezies bestimmt werden. Die Aktinometrie ergibt nur mit einem intensitätskalibrierten Spektrometer quantitativ sinnvolle Ergebnisse.By means of actinometry, a particle density ratio of the different species can be determined via an intensity ratio of spectral lines and / or molecular bands of different species. The actinometry provides quantitatively meaningful results only with an intensity-calibrated spectrometer.

Die Charakteristika werden bevorzugt mit Hilfe eines Plasmamodells bestimmt. Als Plasmamodelle für Atmosphärendruck seien hier die folgenden allgemein bekannten Modelle genannt: ”Lokales Thermisches Gleichgewicht (LTE)”, ”Partielles Lokales Thermisches Gleichgewicht (PLTE)” und ”Stoß-Strahlungsmodel (CRM, engl. Collisional Radiative Model)”. Je nach Druckbereich und Temperatur des Atmosphärenplasmas wird das gültige Modell angewendet.The characteristics are preferably determined by means of a plasma model. As atmospheric pressure plasma models, the following well-known models are mentioned here: "Local Thermal Balance (LTE)", "Partial Local Thermal Balance (PLTE)" and "Collisional Radiative Model (CRM)". Depending on the pressure range and the temperature of the atmospheric plasma, the valid model is used.

Anhand der bestimmten Charakteristika kann über eine Regelschleife mindestens einer der Parameter Plasmaleistung, Brennerleistung, Kontaktzeit, Zusammensetzung von Brenngas oder Arbeitsgas, Durchsatz von Brenngas oder Arbeitsgas, Durchsatz eines Precursors gesteuert und/oder geregelt werden, vorzugsweise mittels einer P-, PI-, PD- oder PID-Regelung.On the basis of the specific characteristics, at least one of the parameters plasma power, burner power, contact time, composition of fuel gas or working gas, throughput of fuel gas or working gas, throughput of a precursor can be controlled and / or regulated via a control loop, preferably by means of a P, PI, PD - or PID control.

Vorzugsweise werden die optischen Emissionen in Echtzeit gemessen und analysiert, so dass auch eine Regelung der Prozessparameter in Echtzeit erfolgen kann.Preferably, the optical emissions are measured and analyzed in real time, so that a control of the process parameters can be done in real time.

Das Plasma oder die Flamme kann in einem Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eingesetzt werden, bei dem entweder aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl oder aus einem Brenngas ein Flammstrahl erzeugt wird. Die Oberfläche wird mit dem Plasmastrahl oder dem Flammstrahl bestrichen. Die Behandlung der Oberfläche erfolgt bei Atmosphärendruck. Durch Variation von Prozessparametern, Untersuchung von Abhängigkeiten der spektralen Ergebnisse von den variierten Parametern und Anpassung der Ergebnisse an verschiedene Atmosphärendruck-Plasmaprozesse wird eine In-Situ-Analyse des Plasmaprozesses erreicht. Der Prozess der Oberflächenbehandlung wird durch die berührungslose Messung der optischen Emissionen nicht beeinträchtigt.The plasma or flame can be used in a process for treating a surface in which a plasma jet is generated either from a working gas or a flame jet from a fuel gas. The surface is coated with the plasma jet or the flame jet. The treatment of the surface is carried out at atmospheric pressure. By varying process parameters, investigating dependencies of the spectral results on the varied parameters and adapting the results to different atmospheric pressure plasma processes, an in-situ analysis of the plasma process is achieved. The process of surface treatment is not affected by the non-contact measurement of optical emissions.

Ein wesentlicher Vorteil bei Atmosphärendruckverfahren, insbesondere bei Atmosphärendruck-Plasmaverfahren ist die einfache Integrierbarkeit in Produktionsabläufe durch den Wegfall von Unterdruck-Reaktionsräumen und die im Vergleich zu Niederdruck-Anlagen geringen Investitionskosten. Die Größe der Werkstücke, deren Oberflächen behandelt werden sollen, ist nicht mehr durch die Dimensionen einer Vakuumkammer begrenzt. Atmosphärendruckverfahren können zur Behandlung einer Vielzahl von Werkstoffen angewandt werden. So können beispielsweise ausgasende Materialien behandelt werden, deren Behandlung bei Niederdruck nicht möglich ist. Insbesondere Atmosphärendruck-Plasmaverfahren eignen sich aufgrund des geringen Wärmeeintrags auch für temperaturempfindliche Materialien.An essential advantage of atmospheric pressure processes, in particular atmospheric pressure plasma processes, is the ease of integration into production processes by the elimination of vacuum reaction spaces and the low investment costs compared to low-pressure plants. The size of the workpieces whose surfaces are to be treated is no longer limited by the dimensions of a vacuum chamber. Atmospheric pressure techniques can be used to treat a variety of materials. Thus, for example, outgassing materials can be treated, the treatment at low pressure is not possible. In particular, atmospheric pressure plasma processes are also suitable for temperature-sensitive materials due to the low heat input.

Vorzugsweise werden anhand der ermittelten spektralen Charakteristika der Atmosphärendruck-Prozesse Parameter der Oberflächenbehandlung gesteuert und/oder geregelt. Auf diese Weise kann der Erfolg des Behandlungsprozesses während der Behandlung der Oberfläche überwacht und dem gewünschten Ergebnis entsprechend modifiziert werden, so dass eine nachträgliche Überprüfung entfallen kann. Somit lassen sich die Prozessstabilität und die Produktqualität erhöhen. Dementsprechend verbessert sich die industrielle Einsetzbarkeit der Oberflächenbehandlung und es entsteht weniger Ausschuss. Durch weniger Ausschuss werden zum einen eine höhere Kundenzufriedenheit und eine geringere Reklamationsquote und zum anderen eine Einsparung natürlicher Ressourcen und eine Verbesserung der ökologischen Nachhaltigkeit erreicht.Preferably, based on the determined spectral characteristics of the atmospheric pressure processes, parameters of the surface treatment are controlled and / or regulated. In this way, the success of the treatment process during the treatment of the surface can be monitored and modified according to the desired result, so that a subsequent verification can be omitted. Thus, process stability and product quality can be increased. Accordingly, the industrial applicability of the surface treatment improves and there is less waste. Less waste will result in higher levels of customer satisfaction and a lower level of complaints as well as savings in natural resources and improved environmental sustainability.

Die Behandlung der Oberfläche kann in einer Aktivierung oder in einer Beschichtung der Oberfläche mittels des Plasmastrahls oder Flammstrahls bestehen.The treatment of the surface may consist in an activation or in a coating of the surface by means of the plasma jet or flame jet.

Bei einer Beschichtung, einem so genannten CVD-Verfahren (chemical vapor deposition) wird mindestens ein Precursormaterial dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl oder dem Brenngas und/oder dem Flammstrahl zugeführt und im Plasmastrahl oder Flammstrahl zur Reaktion gebracht. Anschließend wird mindestens ein Reaktionsprodukt mindestens eines der Precursoren auf der Oberfläche und/oder auf mindestens einer auf der Oberfläche angeordneten Schicht abgeschieden.In a coating, a so-called CVD method (chemical vapor deposition), at least one precursor material is supplied to the working gas and / or the plasma jet or the fuel gas and / or the flame jet and reacted in the plasma jet or flame jet. Subsequently, at least one reaction product of at least one of the precursors is deposited on the surface and / or on at least one layer arranged on the surface.

Ebenso kann zunächst nur eine Aktivierung und anschließend eine Beschichtung oder auch eine auf eine Beschichtung folgende Aktivierung vorgesehen sein.Likewise, initially only one activation and subsequently a coating or also an activation following on a coating can be provided.

Die Durchsätze von Arbeitsgas und Precursor können unabhängig voneinander regelbar sein. Neben dem Abstand der Plasmaquelle zu der zu beschichtenden Oberfläche steht so ein weiteres Mittel zur Beeinflussung der Schichteigenschaften, wie beispielsweise der Schichtdicke oder der Brechzahl, zur Verfügung. Ebenso sind auf diese Weise Gradientenschichten realisierbar. Durch geeignete Wahl dieser Prozessparameter und der verwendeten Precursoren sind beispielsweise folgende Eigenschaften der Oberfläche des Substrats gezielt veränderbar: Kratzfestigkeit, Selbstheilungsfähigkeit, Barriereverhalten, Reflexionsverhalten, Transmissionsverhalten, Brechungsindex, Transparenz, Lichtstreuung, elektrische Leitfähigkeit, antibakterielles Verhalten, Reibung, Haftung, Hydrophilie, Hydrophobie, Oleophobie, Oberflächenspannung, Oberflächenenergie, antikorrosive Wirkung, schmutzabweisende Wirkung, Selbstreinigungsfähigkeit, photokatalytisches Verhalten, Antistressverhalten, Verschleißverhalten, chemische Widerstandsfähigkeit, biozides Verhalten, biokompatibles Verhalten, elektrostatisches Verhalten, elektrochrome Aktivität, photochrome Aktivität, gasochrome Aktivität.The throughputs of working gas and precursor can be controlled independently of each other. In addition to the distance of the plasma source to the coating surface is thus another means for influencing the layer properties, such as the layer thickness or the refractive index available. Likewise, gradient layers can be realized in this way. By suitable choice of these process parameters and the precursors used, for example, the following properties of the surface of the substrate are selectively changeable: scratch resistance, self-healing ability, barrier behavior, reflection behavior, transmission behavior, refractive index, transparency, light scattering, electrical conductivity, antibacterial behavior, friction, adhesion, hydrophilicity, hydrophobicity, Oleophobicity, surface tension, surface energy, anti-corrosive effect, dirt-repellent effect, self-cleaning ability, photocatalytic behavior, anti-stress behavior, wear behavior, chemical resistance, biocidal behavior, biocompatible behavior, electrostatic behavior, electrochromic activity, photochromic activity, gasochromic activity.

Die Messung der optischen Emissionen kann an einem einzigen Ort oder an mindestens zwei verschiedenen Orten des Plasmastrahls oder Flammstrahls oder der Oberfläche erfolgen. Entsprechend dieser Anzahl weist das Spektrometer eine Anzahl Kanäle auf, über die ihm die optischen Emissionen zugeführt werden.The measurement of the optical emissions may be at a single location or at at least two different locations of the plasma jet or flame jet or the surface. According to this number, the spectrometer has a number of channels through which the optical emissions are supplied to it.

Dies kann beispielsweise entsprechend der Anzahl der Kanäle über je einen Lichtwellenleiter erfolgen. Vorzugsweise weist jeder der Lichtwellenleiter zur Einkopplung der optischen Emissionen eine Kollimatoroptik auf. Ein Kollimator dient der Parallelisierung einfallender Strahlen des zu untersuchenden Plasmastrahls oder Flammstrahls, so dass er wie eine virtuell unendlich weit entfernte Strahlenquelle wirkt.This can be done, for example, according to the number of channels via a respective optical waveguide. Preferably, each of the optical waveguides for coupling the optical emissions on a collimator optics. A collimator serves to parallelize incident rays of the plasma jet or flame jet to be examined, so that it acts like a virtually infinitely distant radiation source.

Die Erzeugung des Plasmas kann in einer Freistrahlplasmaquelle erfolgen. Bei diesem Verfahren wird eine Hochfrequenzentladung zwischen zwei konzentrischen Elektroden gezündet, wobei durch einen eingeleiteten Gasstrom das sich bildende Hohlkathodenplasma als Plasmajet aus der Elektrodenanordnung in aller Regel mehrere Zentimeter in den freien Raum und zur zu beschichtenden Oberfläche herausgeführt wird. Der Precursor kann sowohl vor der Anregung in das Arbeitsgas (direct plasma processing) als auch danach in das bereits gebildete Plasma oder in dessen Nähe (remote plasma processing) eingeleitet werden. Eine weitere Möglichkeit der Plasmaerzeugung ist das Ausnutzen einer dielektrisch behinderten Entladung. Dabei wird das als Dielektrikum dienende Arbeitsgas, insbesondere Luft, zwischen zwei Elektroden hindurchgeleitet. Die Plasmaentladung erfolgt zwischen den Elektroden, welche mit hochfrequenter Hochspannung gespeist werden. Ebenso kann ein Glassubstrat selbst als Dielektrikum genutzt werden, indem der Gasstrom zwischen einer metallischen Flächenelektrode und dem flachen Glassubstrat hindurch geführt wird.The generation of the plasma can be done in a free-jet plasma source. In this method, a high-frequency discharge between two concentric electrodes is ignited, which is led out by a gas stream, the forming hollow cathode plasma as Plasmajet from the electrode assembly usually several centimeters into the free space and the surface to be coated. The precursor can be introduced both before the excitation in the working gas (direct plasma processing) and then in the already formed plasma or in the vicinity (remote plasma processing). Another possibility of plasma generation is the exploitation of a dielectrically impeded discharge. In this case, serving as a dielectric working gas, in particular air, passed between two electrodes. The plasma discharge takes place between the electrodes, which are supplied with high-frequency high voltage. Likewise, a glass substrate itself can be used as a dielectric by passing the gas flow between a metallic surface electrode and the flat glass substrate.

Der Precursor wird vorzugsweise im gasförmigen Zustand oder als Aerosol in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet. Flüssige oder feste, insbesondere pulverförmige Precursoren sind ebenfalls einsetzbar, werden jedoch bevorzugt vor der Einleitung, beispielsweise durch Verdampfung, in den gasförmigen Zustand überführt. Ebenso kann der Precursor zunächst in ein Trägergas eingeleitet, davon mitgerissen und zusammen mit diesem in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet werden.The precursor is preferably introduced in the gaseous state or as an aerosol into the working gas or the plasma stream. Liquid or solid, in particular pulverulent precursors can also be used, but are preferably converted into the gaseous state before introduction, for example by evaporation. Likewise, the precursor can first be introduced into a carrier gas, entrained therefrom, and introduced together with it into the working gas or the plasma stream.

Die abgeschiedene Schicht umfasst vorzugsweise mindestens eine der Komponenten Silizium, Silber, Gold, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, Selen, Zinn, Aluminium, Titan, Zink, Zirkon, Tantal, Chrom, Mangan, Molybdän, Wolfram, Wismut, Germanium, Niob, Vanadium, Gallium, Indium, Magnesium, Calzium, Strontium, Barium, Lithium, Lanthanide, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Bor, Phosphor, Fluor, Halogene und Wasserstoff. Insbesondere enthalten die Schichten oxidische oder/und nitridische Verbindungen von Silizium, Titan, Zinn, Aluminium, Zink, Wolfram und Zirkon.The deposited layer preferably comprises at least one of silicon, silver, gold, copper, iron, nickel, cobalt, selenium, tin, aluminum, titanium, zinc, zirconium, tantalum, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, bismuth, germanium, niobium , Vanadium, gallium, indium, magnesium, calcium, strontium, barium, lithium, lanthanides, carbon, oxygen, nitrogen, sulfur, boron, phosphorus, fluorine, halogens and hydrogen. In particular, the layers contain oxidic or / and nitridic compounds of silicon, titanium, tin, aluminum, zinc, tungsten and zirconium.

Als Precursor wird bevorzugt eine siliziumorganische und/oder eine titanorganische Verbindung verwendet, beispielsweise Hexamethyldisiloxan, Tetramethylsilan, Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, Titantetraisopropylat oder Titantetraisobutylat.The precursor used is preferably an organosilicon and / or an organo-titanium compound, for example hexamethyldisiloxane, tetramethylsilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, titanium tetraisopropylate or titanium tetraisobutylate.

Auf diese Weise sind beispielsweise Barriereschichten realisierbar, die die Durchlässigkeit für Gase und Wasser verringern.In this way, for example, barrier layers can be realized, which reduce the permeability to gases and water.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erste Schicht mit einer Barrierewirkung und anschließend mindestens eine weitere Schicht als Funktionsschicht, vorzugsweise mit mindestens einer der oben genannten Eigenschaften auf einem Kalk-Natrium-Silikatglas (Standard-Floatglas) abgeschieden. Die Barriereschicht verringert zum einen den Durchtritt von Wasser, Kohlendioxid und anderen Substanzen aus der Atmosphäre zur Oberfläche des Glassubstrats. Andererseits wird eine Migration insbesondere von Natrium aus dem Glas in die Funktionsschicht verringert, so dass deren Aktivität erhalten bleibt. Die Funktionsschicht kann dabei mittels des gleichen Verfahrens oder mittels eines anderen Beschichtungsverfahrens auf dem noch heißen oder bereits abgekühlten Glas aufgebracht werden.In a preferred embodiment, a first layer having a barrier effect and then at least one further layer as a functional layer, preferably having at least one of the abovementioned properties, are deposited on a lime-sodium-silicate glass (standard float glass). The barrier layer, on the one hand, reduces the passage of water, carbon dioxide and other substances from the atmosphere to the surface of the glass substrate. On the other hand, migration of sodium in particular from the glass into the functional layer is reduced so that its activity is retained. The functional layer can be applied to the still hot or already cooled glass by the same method or by another coating method.

Als Arbeitsgas können Luft, Dampf oder ein anderes Gas verwendet werden, beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Edelgase, Wasserstoff, Kohlendioxid, gasförmige Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung derselben.As the working gas, air, steam or other gas can be used, for example, oxygen, nitrogen, noble gases, hydrogen, carbon dioxide, gaseous hydrocarbons or a mixture thereof.

Als Brenngas für die Beflammung kann beispielsweise Propan verwendet werden, wobei zur Verbrennung Luft oder Sauerstoff zugeführt werden. Das Brenngas kann mit Luft oder Sauerstoff vorgemischt werden. Auch das Mischungsverhältnis zwischen Brenngas und Sauerstoff oder Luft kann als Parameter anhand der ermittelten Charakteristika gesteuert und/oder geregelt werden. For example, propane can be used as the fuel gas for the flame treatment, air or oxygen being supplied for combustion. The fuel gas can be premixed with air or oxygen. The mixing ratio between fuel gas and oxygen or air can also be controlled and / or regulated as parameters on the basis of the determined characteristics.

Beispielsweise können Oberflächen aus einem Kunststoff, Glas, Metall, Keramik, Glaskeramik, Holz oder Textil beschichtet oder aktiviert werden.For example, surfaces made of a plastic, glass, metal, ceramic, glass ceramic, wood or textile can be coated or activated.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.

Darin zeigt:It shows:

1 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Prozesskontrolle bei Atmosphärendruckplasma-Prozessen für die Behandlung einer Oberfläche mit einer Behandlungseinrichtung, einem Spektrometer und einer Regelung. 1 a schematic view of an arrangement for process control in atmospheric pressure plasma processes for the treatment of a surface with a treatment device, a spectrometer and a control.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung 1 zur Prozesskontrolle bei Atmosphärendruckplasma-Prozessen für die Behandlung einer Oberfläche mit einer Behandlungseinrichtung 2, einem intensitätskalibrierten Spektrometer 3 und einer Regelung 4, vorzugsweise einer P-, PI-, PD- oder PID-Regelung. 1 shows a schematic view of an arrangement 1 for process control in atmospheric pressure plasma processes for the treatment of a surface with a treatment device 2 , an intensity-calibrated spectrometer 3 and a regulation 4 , preferably a P, PI, PD or PID control.

Die Behandlungseinrichtung 2 kann als eine Beflammungsanlage ausgebildet sein, beispielsweise eine Beflammungsanlage der Firma SURA Instruments GmbH bestehend aus einer Gasversorgungs-, Brenner- und einer Precursordosierungs-Einheit. In der Gasversorgungseinheit wird ein Brenngas, beispielsweise Propan (C3H8), mit Luft in einem bestimmten Verhältnis vorgemischt, in den Brenner geleitet, dort gezündet und verbrannt. Anschließend wird unter Atmosphärendruckbedingungen eine Oberfläche eines Substrats bestrichen. Derartige Beflammungsanlagen können beispielsweise zur Aktivierung von Kunststoffen eingesetzt werden, da sie relativ einfach und kostengünstig aufgebaut sind und sich durch niedrige Betriebskosten auszeichnen. Beflammungsprozesse haben sich auch bei der Abscheidung von dünnen Schichten etabliert. Dabei wird in das Brenngas eine schichtbildende Verbindung (Precursor) als Gas oder Aerosol zugegeben. Damit ist es möglich, großflächige Oberflächen von Substraten bei relativ geringem Zeitaufwand gleichmäßig zu beschichten. Das früher bestehende Problem, dass nur thermisch stark belastbare Materialien, wie z. B. Glas, beschichtet werden konnten, ist durch die Entwicklung spezieller Brennergeometrien minimiert worden.The treatment facility 2 can be designed as a Beflammungsanlage, for example, a flame treatment system of the company SURA Instruments GmbH consisting of a gas supply, burner and a Precursordosierungs unit. In the gas supply unit, a fuel gas, for example propane (C 3 H 8 ), premixed with air in a certain ratio, passed into the burner, ignited there and burned. Subsequently, under atmospheric pressure conditions, a surface of a substrate is coated. Such Beflammungsanlagen can be used for example for the activation of plastics, since they are relatively simple and inexpensive and are characterized by low operating costs. Flaming processes have also been established in the deposition of thin films. In this case, a layer-forming compound (precursor) is added as a gas or aerosol in the fuel gas. This makes it possible to evenly coat large surfaces of substrates with relatively little expenditure of time. The previously existing problem that only thermally strong materials such. As glass, could be coated, has been minimized by the development of special burner geometries.

Die Behandlungseinrichtung 2 kann auch als eine Plasmaanlage ausgebildet sein beispielsweise ein Plasma-Blaster-System der Firma Tigres Dr. Gerstenberg GmbH. Diese Plasmaanlage liefert ein potenzialfreies, offenes Plasma mit nur mäßiger Wärmebelastung für die zu behandelnde Oberfläche. In einer Düse wird ein Hochfrequenzplasma erzeugt, das mittels Druckluft auf die Substratoberfläche geführt wird. Mit dieser Plasmaanlage ist eine unkomplizierte Druck- oder Kleb-Vorbehandlung ohne Verwendung von Chemikalien möglich. Die Betriebskosten sind gering, da die Plasmaanlage bei hoher Wirksamkeit ungewöhnlich lange Standzeiten aufweist und nur wenig Druckluft verbraucht. Durch Zusetzung einer schichtbildenden Substanz (Precursor) lassen sich dünne Schichten bei Atmosphärendruck und ohne starke thermische Belastung des Substrates abscheiden. Damit ist diese Methode sehr gut für eine Integration in Fertigungsprozesse geeignet.The treatment facility 2 can also be designed as a plasma system, for example, a plasma blaster system from Tigres. Gerstenberg GmbH. This plasma system provides a potential-free, open plasma with only moderate heat load for the surface to be treated. In a nozzle, a high-frequency plasma is generated, which is guided by means of compressed air onto the substrate surface. With this plasma system uncomplicated pressure or adhesive pretreatment without the use of chemicals is possible. The operating costs are low, since the plasma system with high efficiency has unusually long service life and consumes only little compressed air. By adding a layer-forming substance (precursor), thin layers can be deposited at atmospheric pressure and without severe thermal stress on the substrate. Thus, this method is very well suited for integration into manufacturing processes.

Mittels des Spektrometers 3 werden optische Emissionen des Plasmastrahls oder Flammstrahls oder der Oberfläche während der Behandlung gemessen. Anhand der gemessenen optischen Emissionen werden Charakteristika des Plasmastrahls oder Flammstrahls ermittelt.By means of the spectrometer 3 For example, optical emissions of the plasma jet or flame jet or surface during the treatment are measured. On the basis of the measured optical emissions, characteristics of the plasma jet or flame jet are determined.

Zur Erfassung der optischen Emissionen dienen im dargestellten Beispiel drei Kollimatoroptiken 5.1, 5.2, 5.3, die auf verschiedene Orte der Flamme, des Plasmas oder der Oberfläche gerichtet sind und optische Daten in jeweilige Lichtwellenleiter 6.1, 6.2, 6.3 einkoppeln. Das Spektrometer 3 weist eine entsprechende Anzahl von Kanälen auf. Es kann eine andere Anzahl von Kanälen Lichtwellenleitern 6.1 bis 6.n und Kollimatoroptiken 5.1 bis 5.n vorgesehen sein.In the example shown, three collimator optics are used to record the optical emissions 5.1 . 5.2 . 5.3 which are directed to different locations of the flame, the plasma or the surface and optical data in respective optical fibers 6.1 . 6.2 . 6.3 inject. The spectrometer 3 has a corresponding number of channels. There may be a different number of channels fiber optic cables 6.1 to 6.n and collimator optics 5.1 to 5.n be provided.

Die aus den optischen Emissionen ermittelten Charakteristika können sein:

  • – Lage und zeitlicher Verlauf mindestens einer Spektrallinie und/oder eines Spektralbands,
  • – Vorkommen bestimmter Partikel des Brennergases oder Arbeitsgases,
  • – Vorkommen bestimmter Partikel, die sich aus dem Precursor bilden,
  • – Partikeldichte,
  • – zeitliche Variation der Partikeldichte,
  • – Struktur einer Molekülstrahlung, insbesondere Molekülemission, Molekülbanden.
The characteristics determined from the optical emissions can be:
  • Position and time course of at least one spectral line and / or spectral band,
  • - occurrence of certain particles of the burner gas or working gas,
  • - occurrence of certain particles which form from the precursor,
  • - particle density,
  • Temporal variation of the particle density,
  • Structure of molecular radiation, in particular molecular emission, molecular bands.

Aus einem Verhältnis von Vibrationsbanden eines Molekülübergangs wird eine Vibrationstemperatur eines Moleküls ermittelt wird, wobei aus einem Verhältnis von Rotationslinien eine Rotationstemperatur eines Moleküls ermittelt wird. Eine Gesamtstrahlung des Moleküls wird aus der Vibrationstemperatur und aus der Rotationstemperatur ermittelt, wobei eine Anzahl der Moleküle aus der Gesamtstrahlung ermittelt wird.From a ratio of vibrational bands of a molecular transition, a vibration temperature of a molecule is determined, wherein a rotational temperature of a molecule is determined from a ratio of rotational lines. A total radiation of the molecule is determined from the vibration temperature and from the rotation temperature, wherein a number of the molecules is determined from the total radiation.

In den gemessenen optischen Emissionen wird bevorzugt eine Selbstabsorption von Strahlungslinien ermittelt und bei der Ermittlung der Charakteristika berücksichtigt. In the measured optical emissions, a self-absorption of radiation lines is preferably determined and taken into account in the determination of the characteristics.

Mittels Aktinometrie kann über ein Intensitätsverhältnis von Spektrallinien unterschiedlicher Spezies ein Teilchendichteverhältnis der unterschiedlichen Spezies bestimmt werden.By means of actinometry, a particle density ratio of the different species can be determined via an intensity ratio of spectral lines of different species.

Die Charakteristika werden bevorzugt mit Hilfe eines Plasmamodells bestimmt.The characteristics are preferably determined by means of a plasma model.

Das Vorkommen bestimmter Partikel kann aus im Spektrum auftretenden so genannten Peaks, d. h. lokalen Maxima mit steilen Flanken ermittelt werden. Die Partikeldichte kann aus einem Intensitätswert des betreffenden Peaks abgeleitet werden. Die zeitliche Variation der Partikeldichte kann durch Analyse der Änderungen der Intensitätswerte der Peaks in zeitlich aufeinanderfolgenden Spektren ermittelt werden.The presence of certain particles can occur from so-called peaks occurring in the spectrum, ie. H. local maxima are determined with steep slopes. The particle density can be derived from an intensity value of the respective peak. The temporal variation of the particle density can be determined by analyzing the changes in the intensity values of the peaks in time-sequential spectra.

Die ermittelten Charakteristika werden der Regelung 4 zugeführt, beispielsweise über Analog/Digital-Ausgänge.The determined characteristics become the regulation 4 supplied, for example via analog / digital outputs.

Die Regelung steuert und/oder regelt anhand der ermittelten Charakteristika Parameter der Oberflächenbehandlung. Diese Parameter können beispielsweise sein:

  • – Plasmaleistung,
  • – Brennerleistung,
  • – Kontaktzeit des Plasmastrahls oder Flammstrahls mit der Oberfläche,
  • – Zusammensetzung von Brenngas oder Arbeitsgas,
  • – Durchsatz von Brenngas oder Arbeitsgas,
  • – Durchsatz des Precursors
  • – Verhältnis der Durchsätze
  • – Mischungsverhältnis des Brenngases mit Luft oder Sauerstoff
The control controls and / or regulates parameters of the surface treatment on the basis of the determined characteristics. These parameters can be, for example:
  • - plasma power,
  • - Burner power,
  • Contact time of the plasma jet or flame jet with the surface,
  • - composition of fuel gas or working gas,
  • Throughput of fuel gas or working gas,
  • - Throughput of the precursor
  • - Ratio of throughputs
  • - Mixing ratio of the fuel gas with air or oxygen

Vorzugsweise werden die optischen Emissionen in Echtzeit gemessen und analysiert, so dass auch die Regelung der Prozessparameter in Echtzeit erfolgen kann.Preferably, the optical emissions are measured and analyzed in real time, so that the regulation of the process parameters can be done in real time.

Weiter ist zur Prozessüberwachung und Prozesskontrolle ein Computersystem 7 mit dem Spektrometer 3 verbunden, beispielsweise über eine USB-Schnittstelle oder eine IEEE 1394-Schnittstelle (Firewire).Furthermore, a computer system is used for process monitoring and process control 7 with the spectrometer 3 connected, for example via a USB interface or an IEEE 1394 interface (Firewire).

Die Behandlung der Oberfläche kann in einer Aktivierung oder in einer Beschichtung der Oberfläche mittels des Plasmastrahls oder Flammstrahls bestehen.The treatment of the surface may consist in an activation or in a coating of the surface by means of the plasma jet or flame jet.

Bei einer Beschichtung, einem so genannten CVD-Verfahren (chemical vapor deposition) wird mindestens ein Precursormaterial dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl oder dem Brenngas und/oder dem Flammstrahl zugeführt und im Plasmastrahl oder Flammstrahl zur Reaktion gebracht. Anschließend wird mindestens ein Reaktionsprodukt mindestens eines der Precursoren auf der Oberfläche und/oder auf mindestens einer auf der Oberfläche angeordneten Schicht abgeschieden.In a coating, a so-called CVD method (chemical vapor deposition), at least one precursor material is supplied to the working gas and / or the plasma jet or the fuel gas and / or the flame jet and reacted in the plasma jet or flame jet. Subsequently, at least one reaction product of at least one of the precursors is deposited on the surface and / or on at least one layer arranged on the surface.

Ebenso kann zunächst nur eine Aktivierung und anschließend eine Beschichtung oder eine auf eine Beschichtung folgende Aktivierung vorgesehen sein.Likewise, initially only one activation and then a coating or an activation following a coating can be provided.

Durch geeignete Wahl der Prozessparameter und der verwendeten Precursoren sind beispielsweise folgende Eigenschaften der Oberfläche des Substrats gezielt veränderbar: Kratzfestigkeit, Selbstheilungsfähigkeit, Barriereverhalten, Reflexionsverhalten, Transmissionsverhalten, Brechungsindex, Transparenz, Lichtstreuung, elektrische Leitfähigkeit, antibakterielles Verhalten, Reibung, Haftung, Hydrophilie, Hydrophobie, Oleophobie, Oberflächenspannung, Oberflächenenergie, antikorrosive Wirkung, schmutzabweisende Wirkung, Selbstreinigungsfähigkeit, photokatalytisches Verhalten, Antistressverhalten, Verschleißverhalten, chemische Widerstandsfähigkeit, biozides Verhalten, biokompatibles Verhalten, elektrostatisches Verhalten, elektrochrome Aktivität, photochrome Aktivität, gasochrome Aktivität.By suitable choice of the process parameters and the precursors used, for example, the following properties of the surface of the substrate are selectively changeable: scratch resistance, self-healing ability, barrier behavior, reflection behavior, transmission behavior, refractive index, transparency, light scattering, electrical conductivity, antibacterial behavior, friction, adhesion, hydrophilicity, hydrophobicity, Oleophobicity, surface tension, surface energy, anti-corrosive effect, dirt-repellent effect, self-cleaning ability, photocatalytic behavior, anti-stress behavior, wear behavior, chemical resistance, biocidal behavior, biocompatible behavior, electrostatic behavior, electrochromic activity, photochromic activity, gasochromic activity.

Die Erzeugung des Plasmas kann in einer Freistrahlplasmaquelle oder mittels dielektrisch behinderter Entladung erfolgen.The generation of the plasma can take place in a free-jet plasma source or by means of dielectrically impeded discharge.

Der Precursor wird vorzugsweise im gasförmigen Zustand oder als Aerosol in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet. Flüssige oder feste, insbesondere pulverförmige Precursoren sind ebenfalls einsetzbar, werden jedoch bevorzugt vor der Einleitung, beispielsweise durch Verdampfung, in den gasförmigen Zustand überführt. Ebenso kann der Precursor zunächst in ein Trägergas eingeleitet, davon mitgerissen und zusammen mit diesem in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet werden.The precursor is preferably introduced in the gaseous state or as an aerosol into the working gas or the plasma stream. Liquid or solid, in particular pulverulent precursors can also be used, but are preferably converted into the gaseous state before introduction, for example by evaporation. Likewise, the precursor can first be introduced into a carrier gas, entrained therefrom, and introduced together with it into the working gas or the plasma stream.

Die abgeschiedene Schicht umfasst vorzugsweise mindestens eine der Komponenten Silizium, Silber, Gold, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, Selen, Zinn, Aluminium, Titan, Zink, Zirkon, Tantal, Chrom, Mangan, Molybdän, Wolfram, Wismut, Germanium, Niob, Vanadium, Gallium, Indium, Magnesium, Calzium, Strontium, Barium, Lithium, Lanthanide, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Bor, Phosphor, Fluor, Halogene und Wasserstoff. Insbesondere enthalten die Schichten oxidische oder/und nitridische Verbindungen von Silizium, Titan, Zinn, Aluminium, Zink, Wolfram und Zirkon.The deposited layer preferably comprises at least one of silicon, silver, gold, copper, iron, nickel, cobalt, selenium, tin, aluminum, titanium, zinc, zirconium, tantalum, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, bismuth, germanium, niobium , Vanadium, gallium, indium, magnesium, calcium, strontium, barium, lithium, lanthanides, carbon, oxygen, nitrogen, sulfur, boron, phosphorus, fluorine, halogens and hydrogen. In particular, the layers contain oxidic or / and nitridic Compounds of silicon, titanium, tin, aluminum, zinc, tungsten and zirconium.

Als Precursor wird bevorzugt eine siliziumorganische und/oder eine titanorganische Verbindung verwendet, beispielsweise Hexamethyldisiloxan, Tetramethylsilan, Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, Titantetraisopropylat oder Titantetraisobutylat.The precursor used is preferably an organosilicon and / or an organo-titanium compound, for example hexamethyldisiloxane, tetramethylsilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, titanium tetraisopropylate or titanium tetraisobutylate.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erste Schicht mit einer Barrierewirkung und anschließend mindestens eine weitere Schicht als Funktionsschicht, vorzugsweise mit mindestens einer der oben genannten Eigenschaften auf einem Kalk-Natrium-Silikatglas (Standard-Floatglas) abgeschieden. Die Barriereschicht verringert zum einen den Durchtritt von Wasser, Kohlendioxid und anderen Substanzen aus der Atmosphäre zur Oberfläche des Glassubstrats. Andererseits wird eine Migration insbesondere von Natrium aus dem Glas in die Funktionsschicht verringert, so dass deren Aktivität erhalten bleibt. Die Funktionsschicht kann dabei mittels des gleichen Verfahrens oder mittels eines anderen Beschichtungsverfahrens auf dem noch heißen oder bereits abgekühlten Glas aufgebracht werden.In a preferred embodiment, a first layer having a barrier effect and then at least one further layer as a functional layer, preferably having at least one of the abovementioned properties, are deposited on a lime-sodium-silicate glass (standard float glass). The barrier layer, on the one hand, reduces the passage of water, carbon dioxide and other substances from the atmosphere to the surface of the glass substrate. On the other hand, migration of sodium in particular from the glass into the functional layer is reduced so that its activity is retained. The functional layer can be applied to the still hot or already cooled glass by the same method or by another coating method.

Als Arbeitsgas können Luft, Dampf oder ein anderes Gas verwendet werden, beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Edelgase, Wasserstoff, Kohlendioxid, gasförmige Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung derselben.As the working gas, air, steam or other gas can be used, for example, oxygen, nitrogen, noble gases, hydrogen, carbon dioxide, gaseous hydrocarbons or a mixture thereof.

Beispielsweise können Oberflächen aus einem Kunststoff, Glas, Metall, Keramik, Glaskeramik, Holz, Papier oder Textil beschichtet oder aktiviert werden.For example, surfaces of a plastic, glass, metal, ceramic, glass ceramic, wood, paper or textile can be coated or activated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Anordnung zur Behandlung einer OberflächeArrangement for the treatment of a surface
22
Behandlungseinrichtungtreatment facility
33
Spektrometerspectrometer
44
Regelungregulation
5.1 bis 5.n5.1 to 5.n
Kollimatoroptikcollimator optics
6.1 bis 6.n6.1 to 6.n
Lichtwellenleiteroptical fiber
77
Computersystemcomputer system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2005/0068519 A1 [0005] US 2005/0068519 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • E. Schmachtenberg, A. Hegenbart, „Überwachung von Plasmaprozessen durch OES”, Vakuum in Forschung und Praxis 17 (2005), Nr. 6, 318–323 [0004] E. Schmachtenberg, A. Hegenbart, "Monitoring Plasma Processes by OES", Vacuum in Research and Practice 17 (2005), No. 6, 318-323 [0004]

Claims (11)

Verfahren zur Überwachung eines Plasmas oder einer Flamme bei Atmosphärendruck, wobei mittels eines Spektrometers (3) optische Emissionen des Plasmas oder der Flamme gemessen werden, anhand deren Charakteristika des Plasmas oder der Flamme ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein intensitätskalibriertes Spektrometer verwendet wird.Method for monitoring a plasma or a flame at atmospheric pressure, using a spectrometer ( 3 ) optical emissions of the plasma or the flame are determined on the basis of which the characteristics of the plasma or the flame are determined, characterized in that an intensity-calibrated spectrometer is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den gemessenen optischen Emissionen mindestens eines der folgenden Charakteristika ermittelt wird: – Verlauf mindestens eines Spektralbands, – Vorkommen bestimmter Partikel, – Partikeldichte, – zeitliche Variation der Partikeldichte – Struktur einer Molekülstrahlung.A method according to claim 1, characterized in that in the measured optical emissions of at least one of the following characteristics is determined: - course of at least one spectral band, - occurrence of certain particles, - particle density, - temporal variation of the particle density - Structure of molecular radiation. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Verhältnis von Vibrationsbanden eines Molekülübergangs eine Vibrationstemperatur eines Moleküls ermittelt wird, wobei aus einem Verhältnis von Rotationslinien eine Rotationstemperatur eines Moleküls ermittelt wird, wobei eine Gesamtstrahlung des Moleküls aus der Vibrationstemperatur und aus der Rotationstemperatur ermittelt wird, wobei eine Anzahl der Moleküle aus der Gesamtstrahlung ermittelt wird.A method according to claim 2, characterized in that a vibration temperature of a molecule is determined from a ratio of vibrational bands of a molecular transition, wherein a rotational temperature of a molecule is determined from a ratio of rotational lines, wherein a total radiation of the molecule from the vibration temperature and from the rotational temperature is determined in which a number of the molecules are determined from the total radiation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den gemessenen optischen Emissionen eine Selbstabsorption von Strahlungslinien ermittelt wird und bei der Ermittlung der Charakteristika berücksichtigt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a self-absorption of radiation lines is determined in the measured optical emissions and taken into account in the determination of the characteristics. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Aktinometrie über ein Intensitätsverhältnis von Spektrallinien und/oder Molekülbanden unterschiedlicher Spezies ein Teilchendichteverhältnis der unterschiedlichen Spezies bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a particle density ratio of the different species is determined by means of actinometry via an intensity ratio of spectral lines and / or molecular bands of different species. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristika mit Hilfe eines Plasmamodells bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the characteristics are determined by means of a plasma model. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Charakteristika über eine Regelschleife mindestens einer der Parameter Plasmaleistung, Brennerleistung, Kontaktzeit, Zusammensetzung von Brenngas oder Arbeitsgas, Durchsatz von Brenngas oder Arbeitsgas, Durchsatz eines Precursors gesteuert und/oder geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that based on the characteristics of a control loop at least one of the parameters plasma power, burner power, contact time, composition of fuel gas or working gas, flow rate of fuel gas or working gas, flow rate of a precursor is controlled and / or regulated. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine P-, PI-, PD- oder PID-Regelung verwendet wird.A method according to claim 7, characterized in that a P, PI, PD or PID control is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Emissionen an mindestens zwei verschiedenen Orten des Plasmastrahls oder Flammstrahls gemessen und dem Spektrometer (3) in mindestens zwei Kanälen zugeführt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the optical emissions measured at at least two different locations of the plasma jet or flame jet and the spectrometer ( 3 ) are supplied in at least two channels. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Emissionen dem Spektrometer (3) über mindestens einen Lichtwellenleiter (6.1 bis 6.n) zugeführt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the optical emissions of the spectrometer ( 3 ) via at least one optical waveguide ( 6.1 to 6.n ). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (6.1 bis 6.n) zur Einkopplung der optischen Emissionen mit einer Kollimatoroptik (5.1 bis 5.n) versehen wird.Method according to Claim 9, characterized in that the optical waveguide ( 6.1 to 6.n ) for coupling the optical emissions with a collimator optics ( 5.1 to 5.n ).
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Effective date: 20121221