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WO1997030570A1 - Vorrichtung zur herstellung eines plasmas sowie verwendung der vorrichtung zur herstellung eines plasmas - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung eines plasmas sowie verwendung der vorrichtung zur herstellung eines plasmas Download PDF

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WO1997030570A1
WO1997030570A1 PCT/DE1997/000214 DE9700214W WO9730570A1 WO 1997030570 A1 WO1997030570 A1 WO 1997030570A1 DE 9700214 W DE9700214 W DE 9700214W WO 9730570 A1 WO9730570 A1 WO 9730570A1
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WO
WIPO (PCT)
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plasma
electrodes
produced
electrons
electrode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE1997/000214
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English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Schmidt-Böcking
Karl-Heinz Gericke
Anselm Tobias Haas
Michael Lock
Volker Dangendorf
Angela Demian
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO1997030570A1 publication Critical patent/WO1997030570A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/47—Generating plasma using corona discharges
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2261/00—Gas- or vapour-discharge lamps

Definitions

  • the present invention relates to a device for producing a plasma according to claim 1 and the use of such a device according to claims 6 to 11.
  • JP-OS 07142192 it is known to assemble several plasmas in order to obtain a flat plasma. None is described there about the shape of the individual plasmas and the generation of these individual plasmas.
  • the invention proposes a device according to claim 1, by means of which a flat plasma can be generated.
  • the area is defined by the electrodes and in particular their mechanical attachment. Due to the sharp edges of the electrodes, electrons can escape at these edges, which in comparison to the point-like emergence of electrons from a tip already results in a significantly larger spatial expansion.
  • the fact that several pairs of electrodes can be present means that a flat plasma can be generated.
  • Individual parameters of the plasma can advantageously be set precisely by setting a corresponding electric field strength.
  • a plasma can be produced in a simple manner, the production of which does not require any particular demands on the environmental conditions. Due to the sufficiently large electrical field strength generated by the electrical voltage that is applied to the electrode pairs, the plasma can be produced in particular under ambient conditions such as normal air pressure and room temperature. Another advantage over other known methods for producing a plasma is that a large plasma area is created without the need to generate a large-volume plasma.
  • the device according to claim 1 can be used to produce a plasma which is precisely defined with regard to its spatial extent and with regard to the components contained in it and their temperature distribution.
  • This plasma area can at the same time have sufficient expansion for a large number of applications.
  • the ratio of the plasma surface to the plasma volume can be selected as desired, ie can also be selected as large as desired.
  • locally limited plasmas can be integrated into a large plasma area. Due to the possibility of the small and at the same time controllable expansion of the plasma in one direction, the plasma can be brought as close as possible to objects which are to be processed or changed by means of this plasma.
  • the plasma as a whole can be adapted to different applications.
  • the individual plasma surfaces can differ in their composition and temperature distribution. If, for example, a gas flows through these plasma areas, this gas can be processed one after the other with different plasmas.
  • the device according to claim 3 is particularly easy to manufacture.
  • the plasma can be adjusted with both temporal and local accuracy via the electric field strength.
  • the result such as the rate of a certain chemical conversion of starting materials, can be monitored as a measured variable.
  • This measured variable can be compared with a reference variable.
  • the electrical field strength is then adjusted so that the measured variable approximates the reference variable. It is advantageous that this regulation is possible with a very short time constant.
  • the electric field strength can be varied in the order of nanoseconds.
  • Claims 6 to 11 show advantageous applications of the device.
  • a spectral adjustability results from the use of a certain gas.
  • Fig. 2 another device for generating a plasma in a section in
  • FIG. 1 shows a side view of a device with which a plasma according to the invention can be generated.
  • 103 electrodes 101 and 102 face each other on a surface.
  • Electrodes are advantageously produced using microstructure technology or nanostructure technology.
  • a plastic film for example with an aluminum film.
  • the electrode spacing depends on the wavelength of the radiation with which this structure is generated. If this structure is generated, for example, with light in the visible range, this results in a distance of the electrodes in the order of the wavelength of visible light, i.e. of a few 100 nm.
  • Electrodes 101 and 102 advantageously have a sharp edge 104 on their upper side.
  • a voltage is applied between the electrodes 101 and 102, an electrical field 105 is created between these electrodes.
  • the sharp edge 104 then creates a particularly large electrical field 105 of almost atomic orders of magnitude on the upper side of the electrodes 101, 102, which facilitates the exit of electrons 106 from the electrode 101.
  • a voltage which is negative in relation to the electrode 102 is applied to the electrode 101.
  • These electrodes 101, 102 is applied to materials such as glass or plastic film by means of already known technology, for example lithographic processes. Depending on the manufacturing process, this results in the distance between the electrodes 101 and 102, which has a significant influence on the electric field strength. Due to the rectangular etchable electrode structures, ie the sharp edges 104 of the electrodes 101 and 102 on their upper side, field strengths of such a magnitude are achieved even at comparatively low voltages that electrons 106 are emitted. It is also possible to obtain a cold emission of electrons 106 from the cold electrode 101 of the electrode 101 designed as a solid-state electrode.
  • the electrodes 101 and 102 are then connected with direct or alternating voltages of the order of magnitude of a few 100 V, as is known from microelectronics.
  • the electric field 105 can then be varied in the order of ns by voltages of this order of magnitude. This makes it possible to control or regulate the plasma with a rapidly variable manipulated variable. Overall, there is a control or regulation with a very short time constant.
  • the electrons 106 are then accelerated as free electrons in the strong electric fields 105 and generate ions or radicals by impact ionization with the surrounding atoms or molecules of the surrounding gas atmosphere.
  • the resulting microplasma between the electrodes 101 and 102 can be switched through appropriate wiring, i.e. Applying voltage to electrodes 101 and 102 can be switched on and off quickly.
  • a plasma can therefore be produced under these conditions under standard ambient conditions, i.e. Normal pressure, room temperature and without pre-ionization.
  • the plasma has a small extent perpendicular to the electric field lines, so that the ions can be easily extracted with pulsed electric fields and applied to other adjacent surfaces.
  • a gas can flow in the direction of arrow 107 over the surface and thereby interact with the plasma, which is formed in particular on the upper side of electrodes 101 and 102. It is also conceivable to bring this surface close to the top of a solid to be processed by means of the plasma. Another direction of flow of a gas can be formed substantially perpendicular to the plane of the paper.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a cathode 101 and an associated anode 102, by means of which a plasma can be generated.
  • Anode 102 and cathode 101 be attached to a plastic film 103.
  • the electric field 105 forms again between the electrodes 101 and 102 when an electrical voltage is applied.
  • the electrodes 101 and 102 again have a sharp edge 104 on the top.
  • the plastic film 103 acting as a carrier has holes 202, the gas can flow in the direction of arrow 201 if the number of holes 202 is sufficiently large. The gas then flows vertically through the plasma surface.
  • Fig. 2 shows the device in a section in side view, in which the holes 202 are just visible.
  • FIG. 3 shows the device according to FIG. 2 in a top view.
  • the cathode 101 is again provided with the reference number 101.
  • the plastic film 103 is penetrated by holes 202. These holes 202 lead to a honeycomb structure of the plastic film 103, so that there is still a mechanical connection of the electrodes and the gas can still flow vertically through the plasma surface.
  • the gas could only interact with a plasma surface.
  • Appropriate wiring of the individual electrodes in the area allows the plasma to be designed differently within the area.
  • a procedure for producing such a plasma which can be regulated and / or controlled in three dimensions, is given by the so-called LIGA technology.
  • LIGA lithography, electroforming, molding, described for example in W. Ehrfeld, H. Lehr: Radiation, Physics ND Chemistry 45 (3), 349-365 1995)). If an electrode structure is thus produced in this method in such a way that electrodes are always sufficiently close together and are correspondingly sharp-edged, corresponding three-dimensional plasma fields can be generated.
  • FIG. 4 shows a side view of an arrangement of electrodes 101 and 102, which in turn have correspondingly sharp edges 104 at the corners. These electrodes are held by supporting walls (for example made of plastic) at a defined distance held. The electrical field 105 then arises again between the electrodes. The gas flows through corresponding holes in the direction of arrow 401. The gas then flows through a plurality of plasma surfaces.
  • FIG. 5 shows a top view of the device according to FIG. 4.
  • the electrodes 101 and 102 are again held by a carrier made of plastic 103, which, however, must again have holes 202 so that the gas can flow through the plasma surfaces.
  • the production takes place, for example, in such a way that metallic electrodes are introduced into a solid plastic block.
  • LIGA technology the corresponding structure with the sharp edges of the electrodes is then worked out.
  • the electrons in the plasma have high energy and are therefore able to break practically any electronic bond.
  • the kinetic energy of the electrons can be set comparatively precisely, so that the energy can be adjusted to stimulate certain reactions.
  • the energy of the electrons can be varied within an energy range of a few 10 eV.
  • the primary electron acts like a dynamically induced catalyst, which is available for further reactions unused even after the reaction.
  • the electron gas is extremely hot and can break practically any chemical bond, the gas atoms or molecules remain practically at the ambient temperature of the reactor vessel. This means that chemical reaction zones can be created with the plasma, which practically have two separately selectable temperatures for reaction stage 1 (e.g. dissociation of the starting molecules) and for reaction stage 2 (synthesis of the end products).
  • the plasmas therefore allow a completely new type of gas phase chemistry.
  • environmental protection e.g. Cold burns induced by electron impact reduce dioxins and nitrogen oxides. Higher nitrogen oxides can also be separated into nitrogen and oxygen.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Plasmas, bei dem mittels Wechselwirkung freier Elektronen mit anderen Teilchen das Plasma erzeugt wird, wobei das Plasma als Plasmafläche erzeugt wird, indem freie Elektronen mit einer solchen elektrischen Feldstärke erzeugt werden, wobei die Plasmafläche ohne besondere Umgebungsbedingungen wie hohe Temperatur aus einem Festkörper, insbesondere Metall, kalt emittiert wird und indem die die Emission verursachende elektrische Feldstärke durch die Geometrie der Elektrodenstruktur, insbesondere Elektrodenstrukturen von einigen nm bis mm, lokal begrenzt aufgebaut wird, und indem sich viele lokal begrenzte elektrische Felder im wesentlichen in einer Ebene aneinander anschließen.

Description

BESCHREIBUNG
Vorrichtung zur Herstellung eines Plasmas sowie Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung eines Plasmas
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Plasmas nach Anspruch 1 sowie die Verwendung einer derartigen Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 11.
Den Anmeldern ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem freie Elektronen einer hinreichenden Energie mit anderen Teilchen wie Molekülen, Atomen, Festkörpern, Ionen oder Radikalen in Wechselwirkung treten und dabei das Plasma erzeugen.
Aus der DE 36 05 735 ist es bekannt, ein Plasma zu erzeugen, bei dem Elektronen aus einer Metallspitze emittiert werden, an die ein elektrisches Feld einer bestimmten Größe angelegt wird. Aus dieser Metallspitze können auch bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur Elektronen emittiert werden, wenn die elektrische Feldstärke hinreichend groß ist. Weiterhin ist beschrieben, daß die punktförmig emittierten Elektronen beispielsweise durch entsprechende elektrische Felder nach der Emission in ihrer Energie beeinflußt werden können.
Aus den Patent Abstracts of Japan, JP-OS 07142192, ist es bekannt, mehrere Plasmen zusammenzusetzen, um ein flächiges Plasma zu erhalten. Über die Form der einzelnen Plasmen und die Erzeugung dieser einzelnen Plasmen ist dort nichts ausgeführt.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung nach Anspruch 1 vorgeschlagen, mittels der ein flächiges Plasma erzeugbar ist.
Die Fläche wird dabei durch die Elektroden und insbesondere deren mechanische Befestigung definiert. Durch die scharfen Kanten der Elektroden können an diesen Kanten Elektronen austreten, was gegenüber einem punktfbrmigen Austritt von Elektronen aus einer Spitze bereits eine deutlich größere räumliche Ausdehnung bewirkt. Dadurch, daß mehrere Elektrodenpaare vorhanden sein können, ist damit ein flächiges Plasma erzeugbar. Vorteilhaft können dabei einzelne Parameter des Plasma durch die Einstellung einer entsprechenden elektrischen Feldstärke präzise eingestellt werden. Durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist in einfacher Weise ein Plasma herstellbar, bei dessen Herstellung keine besonderen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen zu stellen sind. Durch die hinreichend große elektrische Feldstärke, die durch die elektrische Spannung erzeugt wird, die an die Elektrodenpaare angelegt werden, kann das Plasma dabei insbesondere bei Umgebungsbedingungen wie normalem Luftdruck und Zimmertemperatur hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Herstellung eines Plasmas besteht dabei darin, daß eine große Plasmafläche entsteht, ohne daß ein großvolumiges Plasma erzeugt werden muß.
Bei einem solchen großvolumigen Plasma, mittels dem bisher üblicherweise ein Plasma mit einer vergleichsweise großen Oberfläche erzeugt wurde, kann meist nur der Randbereich in der industriellen Anwendung benutzt werden.
Diese bekannten Anwendungsmethoden sind dabei z.B. die Reinigung, das Ätzen und Bedampfen von Oberflächen, das Zerschneiden von Materialien, die Lichterzeugung in Lampen, Plasmabildschirme, Anwendungen in der Chemie der Gasphase im allgemeineren Sinne und ähnliches.
Dabei ist eine große Plasmarandfläche wesentlich für diese Anwendungen. Dies führt bei dem bekannten Stand der Technik zu einem vergleichsweise großvolumigen Plasma, bei dem im Inneren dann entsprechend hohe Temperaturen auftreten können, die dann wieder zu unerwünschten Reaktionen fuhren können.
Für die Erzeugung des Plasmas nach dem Stand der Technik sind ferner genau definierte Bedingungen hinsichtlich Druck und Temperatur notwendig. Ferner ist bei einem großvolumigen Plasma eine schnelle Einstellbarkeit beispielsweise hinsichtlich der Ionendichte und des Ionentransportes in der Praxis ausgeschlossen. Jedenfalls ist dies nicht mit kurzen Zeitkonstanten und genauer örtlicher Auflösung möglich.
Demgegenüber kann mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 ein Plasma hergestellt werden, das genau definiert ist hinsichtlich seiner räumlichen Ausdehnung und hinsichtlich der in ihm enthaltenen Bestandteile sowie deren Temperaturverteilung. Diese Plasmafläche kann dabei gleichzeitig eine hinreichende Ausdehnung für eine Vielzahl von Anwendungen haben. Insbesondere ist bei einem derartigen Plasma das Verhältnis der Plasmaoberfläche zum Plasmavolumen beliebig wählbar, d.h. auch beliebig groß wählbar. Mittels der Vorrichtung nach Anspruch 1 lassen sich lokal begrenzte Plasmen zu einer großen Plasmafläche integrieren. Durch die Möglichkeit der geringen und gleichzeitig kontrollierbaren Ausdehnung des Plasmas in einer Richtung kann das Plasma beliebig dicht an Objekte herangebracht werden, die mittels dieses Plasmas bearbeitet oder verändert werden sollen.
Durch die Ausbildung der Vorrichtung nach Anspruch 2 kann das Plasma insgesamt an unterschiedliche Anwendungsfälle angepaßt werden. Die einzelnen Plasmaflächen können dabei hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Temperaturverteilung unterschiedlich sein. Wenn dabei beispielsweise ein Gas diese Plasmaflächen durchströmt, kann dieses Gas nacheinander mit unterschiedlichen Plasmen bearbeitet werden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3 ist besonders einfach herstellbar.
Bei der Vorrichtung nach Anspruch 4 kann genutzt werden, daß das Plasma über die elektrische Feldstärke mit sowohl zeitlicher als auch örtlicher Genauigkeit einstellbar ist. Dabei kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Anwendung des Plasmas das Ergebnis, wie beispielsweise die Rate einer bestimmten chemischen Umsetzung von Ausgangsstofϊen als Meßgröße überwacht werden. Diese Meßgröße kann mit einer Führungsgröße verglichen werden. Bei einer Abweichung wird dann die elektrische Feldstärke so angepaßt, daß sich die Meßgröße der Führungsgröße annähert. Vorteilhaft zeigt sich dabei, daß diese Regelung mit einer sehr kurzen Zeitkonstanten möglich ist. Die elektrische Feldstärke kann dabei in der Größenordnung von Nanosekunden variiert werden.
Mit der Ausbildung der Vorrichtung nach Anspruch 5 kann dabei in der Plasmafläche gezielt eine lokal unterschiedliche Ausbildung des Plasmas erreicht werden.
Die Ansprüche 6 bis 11 zeigen dabei vorteilhafte Anwendungen der Vorrichtung. Bei der Verwendung nach Anspruch 10 ergibt sich eine spektrale Einstellbarkeit durch die Verwendung eines bestimmten Gases.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen dabei:
Fig. 1 : eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas,
Fig. 2: eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas in einem Schnitt in
Seitenansicht, Fig. 3: die Vorrichtung nach Fig. 2 in Draufsicht,
Fig. 4: eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Plasmas und
Fig. 5: eine andere Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 4.
Fig. 1 zeigt dabei in Seitenansicht eine Vorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Plasma erzeugt werden kann. Dabei stehen sich auf einer Fläche 103 Elektroden 101 und 102 gegenüber.
Diese Elektroden sind dabei vorteilhaft in Mikrostrukturtechnik oder Nanostrukturtechnik hergestellt. Alternativ zu dieser Herstellung einer Vorrichtung ist es auch denkbar, eine Kunststoffolie entsprechend zu bedrucken, beispielsweise mit einer Aluminiumfolie. Dabei wird eine nur geringere Auflösung hinsichtlich der Elektrodenabstände erzielbar sein, ein solches Herstellungsverfahren eignet sich aber wegen seiner geringen Kosten insbesondere für Anwendungen in der Massenproduktion. Bei Herstellungsverfahren in Mikrostrukturtechnik oder Nanostrukturtechnik ergibt sich der Elektrodenabstand in Abhängigkeit der Wellenlänge der Strahlung, mit der diese Struktur erzeugt wird. Wenn diese Struktur beispielsweise mit Licht im sichtbaren Bereich erzeugt wird, so ergibt sich daraus ein Abstand der Elektroden in der Größenordnung der Wellenlänge von sichtbarem Licht, d.h. von einigen 100 nm. Unter Verwendung von Strahlung geringerer Wellenlänge sind dabei entsprechend geringere Elektrodenabstände und damit entsprechend größere Feldstärken bei geringeren elektrischen Spannungen erzielbar.
Vorteilhaft weisen diese Elektroden 101 und 102 dabei an ihrer Oberseite eine scharfe Kante 104 auf. Bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 101 und 102 entsteht dabei ein elektrisches Feld 105 zwischen diesen Elektroden. Durch die scharfe Kante 104 entsteht dann an der Oberseite der Elektroden 101, 102 ein besonders großes elektrisches Feld 105 von nahezu atomaren Größenordnungen, was den Austritt von Elektronen 106 aus der Elektrode 101 erleichtert. Dabei wird an die Elektrode 101 eine gegenüber der Elektrode 102 negative Spannung angelegt.
Die Struktur dieser Elektroden 101, 102 wird dabei auf Materialien wie z.B. Glas oder Kunststoffolie mittels bereits bekannter Technologie z.B. lithographische Verfahren aufgebracht. In Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens ergibt sich daraus der Abstand der Elektroden 101 und 102, der einen wesentlichen Einfluß auf die elektrische Feldstärke hat. Durch die rechteckig ätzbaren Elektrodenstrukturen, d.h. die scharfen Kanten 104 der Elektroden 101 und 102 an deren Oberseite, werden dabei auch bei vergleichsweise geringen Spannungen Feldstärken einer solchen Größenordnung erzielt, daß es zur Emission von Elektronen 106 kommt. Es ist dabei auch möglich, eine kalte Emission von Elektronen 106 aus der kalten Elektrode 101 der als Festkörperelektrode ausgebildeten Elektrode 101 zu erhalten.
Zur Erzeugung der Feldstärken werden die Elektroden 101 und 102 dann wie aus der Mikroelektronik bekannt mit Gleich- oder Wechselspannungen der Größenordnung von einigen 100 V beschaltet. Durch Spannungen dieser Größenordnung kann das elektrische Feld 105 dann in der Größenordnung von ns variiert werden. Dadurch ist eine Steuerung oder Regelung des Plasmas mit einer schnell variierbaren Stellgröße möglich. Insgesamt ergibt sich also eine Steuerung bzw. Regelung mit einer sehr kurzen Zeitkonstanten.
Die Elektronen 106 werden dann als freie Elektronen in den starken elektrischen Feldern 105 beschleunigt und erzeugen durch Stoßionisation mit den umgebenden Atomen oder Molekülen der umgebenden Gasatmosphäre Ionen oder Radikale. Das entstehende Mikroplasma zwischen den Elektroden 101 und 102 kann durch entsprechende Beschaltung, d.h. Beaufschlagung der Elektroden 101 und 102 mit elektrischer Spannung schnell ein- und ausgeschaltet werden.
Unter diesen Bedingungen ist also ein Plasma herstellbar unter Standardumgebungsbedingungen, d.h. Normaldruck, Zimmertemperatur und ohne Vorionisation. Gleichzeitig weist dabei das Plasma eine geringe Ausdehnung senkrecht zu den elektrischen Feldlinien auf, so daß die Ionen leicht mit gepulsten elektrischen Feldern extrahiert und auf andere benachbarte Oberflächen aufgebracht werden können.
Bei der Anwendung eines mit der Vorrichtung erzeugten Plasmas kann beispielsweise ein Gas in Richtung des Pfeiles 107 über die Fläche strömen und dabei mit dem Plasma in Wechselwirkung treten, das sich insbesondere an der Oberseite der Elektroden 101 und 102 ausbildet. Ebenso ist es auch denkbar, diese Fläche entsprechend dicht an die Oberseite eines mittels des Plasmas zu bearbeitenden Festkörpers heranzuführen. Eine andere Strömungsrichtung eines Gases kann dabei im wesentlichen senkrecht zur Papierebene ausgebildet sein.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Kathode 101 und einer zugehörigen Anode 102, mittels denen ein Plasma erzeugt werden kann. Dabei können Anode 102 und Kathode 101 auf einer Kunststoffolie 103 angebracht sein. Das elektrische Feld 105 bildet sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung wieder zwischen den Elektroden 101 und 102 aus. Durch ein entsprechendes Herstellungsverfahren weisen dabei die Elektroden 101 und 102 wieder eine scharf ausgeprägte Kante 104 an der Oberseite auf. Wenn die als Träger wirkende Kunststoffolie 103 Löcher 202 aufweist, kann bei einer hinreichend großen Zahl von Löchern 202 das Gas in der Richtung des Pfeiles 201 strömen. Das Gas strömt dann also senkrecht durch die Plasmafläche hindurch. Fig. 2 zeigt dabei die Vorrichtung in einem Schnitt in Seitenansicht, bei der gerade die Löcher 202 zu sehen sind.
Die Darstellung nach Fig. 3 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 2 in Draufsicht. Dabei ist die Kathode 101 wieder mit der Bezugsziffer 101 versehen. Die Kunststoffolie 103 ist dabei durch Löcher 202 durchsetzt. Diese Löcher 202 führen dabei zu einer wabenförmigen Struktur der Kunststoffolie 103, so daß nach wie vor eine mechanische Verbindung der Elektroden gegeben ist und das Gas dennoch senkrecht durch die Plasmafläche strömen kann.
Bei den bisher beschriebenen Vorrichtungen konnte das Gas lediglich mit einer Plasmafläche in Wechselwirkung treten. Durch eine entsprechende Beschaltung der einzelnen Elektroden in der Fläche kann dabei das Plasma auch innerhalb der Fläche unterschiedlich ausgebildet sein.
Es ist aber auch möglich, das Gas senkrecht durch die Plasmafläche strömen zu lassen und dabei mehrere dieser Plasmaflächen in Strömungsrichtung des Gases hintereinander vorzusehen.
Eine Vorgehensweise zur Herstellung eines solchen Plasmas, das in drei Dimensionen regel- und/oder steuerbar ist, ist durch die sogenannte LIGA-Technik gegeben. Mittels dieser Technik ist es möglich, dreidimensional eine entsprechende Elektrodenstruktur herzustellen. (LIGA = Lithografie, GAlvanoformung, Abformung, beschrieben beispielsweise in W. Ehrfeld, H. Lehr: Radiation, Physics ND Chemistry 45 (3), 349-365 1995)). Wird bei diesem Verfahren also eine Elektrodenstruktur so hergestellt, daß immer Elektroden hinreichend dicht beieinander liegen und entsprechend scharfkantig ausgebildet sind, so können dreidimensional entsprechende Plasmafelder erzeugt werden.
Ein Beispiel dafür ist durch die Darstellung nach den Figuren 4 und 5 gegeben.
Fig. 4 zeigt dabei in Seitenansicht eine Anordnung von Elektroden 101 und 102, die wiederum entsprechend scharfe Kanten 104 an den Ecken aufweisen. Diese Elektroden werden dabei durch Stützwände (beispielsweise aus Kunststoff) in einem definierten Abstand gehalten. Dabei entsteht dann wieder zwischen den Elektroden das elektrische Feld 105. Durch entsprechende Löcher strömt dabei das Gas in Richtung des Pfeiles 401. Dabei durchströmt das Gas dann mehrere Plasmaflächen.
Fig. 5 zeigt in Draufsicht die Vorrichtung nach Fig. 4. Dabei werden die Elektroden 101 und 102 wieder von einem Träger aus Kunststoff 103 gehalten, der aber wieder Löcher 202 aufweisen muß, damit das Gas die Plasmaflächen durchströmen kann.
Die Herstellung erfolgt dabei beispielsweise derart, daß in einen massiven Kunststoffblock metallische Elektroden eingebracht sind. Mittels der LIGA-Technik wird dann die entsprechende Struktur mit den scharfen Kanten der Elektroden herausgearbeitet.
Eine Anwendungsmöglichkeit derartig erzeugter Plasmen ist zum Beispiel in der Chemie der Gasphase gegeben. Die Elektronen in dem Plasma weisen eine hohe Energie auf und sind somit in der Lage, praktisch jede elektronische Bindung aufzubrechen. Die kinetische Energie der Elektronen ist vergleichsweise genau einstellbar, so daß die Energie auf die Anregung bestimmter Reaktionen eingestellt werden kann. Die Energie der Elektronen kann dabei in einem Energiebereich von einigen 10 eV variiert werden. Das primäre Elektron wirkt dabei wie ein dynamisch induzierter Katalysator, der selbst nach der Reaktion wieder unverbraucht für weitere Reaktionen zur Verfugung steht. Obwohl das Elektronengas extrem heiß ist und somit praktisch jede chemische Bindung aufbrechen kann, bleiben die Gasatome oder Moleküle praktisch auf der Umgebungstemperatur des Reaktorgefäßes. Damit lassen sich mit dem Plasma chemische Reaktionszonen herstellen, die praktisch für die Reaktionsstufe 1 (z.B. Dissoziation der Ausgangsmoleküle) und für die Reaktionsstufe 2 (Synthese der Endprodukte) zwei getrennt wählbare Temperaturen haben.
Die Plasmen erlauben daher eine völlig neue Art von Gasphasenchemie. Im Umweltschutz könnten z.B. durch Elektronenstoß induzierte kalte Verbrennungen Dioxine und Stickoxide abgebaut werden. Es können auch höhere Stickoxide in Stickstoff und Sauerstoff getrennt werden.
Es können auch Materialien kalt synthetisiert werden, die bisher nur bei sehr hohen Temperaturen auf vergleichsweise umständliche Weise umgesetzt werden konnten. Dabei ist beispielsweise eine Umsetzung von Methan in Ethin, Ethen und Ethan möglich. Ebenso kann an eine Umsetzung von Ethan in Ethin gedacht werden. Weitere denkbare Anwendungsmöglichkeiten sollen im folgenden kurz dargestellt werden. Beispielsweise können in einer Edelgasatmosphäre Edelgasionen oder angeregte Edelgasatome in einer sehr dünnen Schicht direkt an der zu behandelnden Oberfläche erzeugt werden. Die erzeugten Edelgasionen können aufgrund ihrer hohen Ionisationsenergie jeden Schmutz an der Oberfläche oder Teile der Oberfläche wegätzen und stehen nach der Ätzreaktion als neutrale Edelgasatome für Folgereaktionen wieder völlig umweltfreundlich zur Verfügung. Wegen der guten Steuer- und Regelbarkeit des Plasmas kann dabei die Oberflächenbehandlung lokal sehr gezielt erfolgen.
Ebenso können Oberflächen auch bedampft werden. Wegen der guten Steuerbarkeit des Plasmas ist dabei eine Anwendung bei Druck- und Schreibsystemen denkbar, da das Plasma gerade auch unter thermodynamischen Standardbedingungen erzeugt werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Erzeugung einer durch mehrere Mikroplasmen gebildeten, zweidimensionalen Plasmafläche bei Umgebungstemperatur mit den folgenden weiteren Merkmalen: auf einer Fläche (103) befinden sich mechanisch miteinander verbundene Elektroden (101 ,
102), die Elektroden (101, 102) weisen auf ihrer Oberseite eine scharfe Kante (104) auf, jeweils zwei der Elektroden (101, 102) liegen sich auf der Fläche (103) in einem Abstand gegenüber, der in der Größenordnung von einigen nm bis mm ist und an jedes der sich gegenüberliegenden Elektrodenpaare ist eine elektrische Spannung anlegbar, so daß aus der Kante der einen Elektrode (101) Elektronen kalt emittiert und derart beschleunigt werden, daß sich durch Stoßionisation ein Mikroplasma zwischen den beiden Elektroden bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flächen von Elektroden vorgesehen sind, so daß ein dreidimensionales Plasma entsteht.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mittels Mikro- oder Nanostrukturtechnik hergestellt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroplasmen durch Veränderung der Spannung mit einer im Bereich von Nanosekunden liegenden Zeitkonstanten steuerbar oder regelbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma bei der Steuerung bzw. Regelung lokal unterschiedlich einstellbar ist.
6. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Katalysator zur Abgasreinigung.
7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Synthese komplexer chemischer Verbindungen aus einfachen Grundbausteinen wie beispielsweise zur Erzeugung höherer Kohlenwasserstoffe aus Methan.
8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Reinigung und/oder Ätzung von Oberflächen.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bedampfung und/oder Bedruckung von Oberflächen.
10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als großflächige spektrale Lichtquelle und/oder Spektrallampe.
11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als flacher Bildschirm.
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