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Mikrowellen-Plasmaquellen

Mikrowellen-Plasmaquellen sind insbesondere für zwei Anwendungsbereiche interessant: Zum einen für die Niederdruck-Plasmatechnik, die vielfältig industriell eingesetzt wird und permanent Verbesserungen hinsichtlich Qualität und Effizienz erfordert – bei zugleich immer niedrigeren Kosten. Zum anderen für atmosphärische Mikroplasmen, da sich mit ihnen sowohl neue Plasmaanwendungen erschließen als auch Niederdruckanwendungen in den wesentlich kostengünstigeren atmosphärischen Bereich transferieren lassen.

µPQ-Mikrowellenplasmaquelle im Betrieb
µPQ: ultra-kompakte Atmosphärendruck-Mikrowellenplasmaquelle im Betrieb
µPQ: geöffnetes Gehäuse
µPQ: geöffnetes Gehäuse mit Blick auf die Elektronik

µPQ – ultra-kompakte Atmosphärendruck-Mikrowellenplasmaquelle

Plasmen unter Atmosphärendruck ermöglichen die kostengünstige Behandlung von Oberflächen, beispielsweise Aktivierung und Reinigung von Kunststoffen oder Metallen. Hierfür haben wir eine äußerst kompakte Plasmaquelle entwickelt, welche ein Mikrowellenplasma mit bis zu 20 W bereitstellt. Damit können selbst temperaturempfindliche Materialien problemlos behandelt werden. Auch für medizinische Anwendungen ist sie geeignet.

Die Quelle lässt sich sehr einfach in Betrieb nehmen. Es werden nur eine 48-V-Gleichspannung, die Gas-Zuführung sowie eine Wasserkühlung benötigt. Darüber hinaus ist die Plasmaquelle äußerst flexibel einsetzbar, da sie mit einer Vielzahl von Gasen wie Argon, Luft, Sauerstoff und Stickstoff funktioniert. Selbst die Wasserkühlung lässt sich bei Bedarf auf Luftkühlung umrüsten. Daher kann die Plasmaquelle sowohl als eigenständige, handliche Lösung wie auch als Teil von Industrieanlagen verwendet werden.

Das sehr handliche Gehäuse (114 x 33 x 25 mm³) der Plasmaquelle beinhaltet einen Resonator zur Plasmaanregung, einen im ISM-Band um 2,45 GHz arbeitenden Leistungsoszillator sowie die Steuerungs- und Überwachungselektronik. Herzstück des Leistungsoszillators ist ein GaN-Transistor aus dem FBH, der das Mikrowellenplasma effizient speist.

ICP-Plasmaquellen

Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) ist ein Anregungsverfahren, das eine hohe Elektronendichte mit einer zugleich großen Plasmareinheit bietet. Die klassischen Anwendungen im Niederdruck-Bereich (50 Pa) – mit Niederfrequenzanregung (13,56 MHz) und mit sehr viel Energiebedarf (im kW-Bereich) – liegen vor allem in der Halbleitertechnologie. Wegen der großvolumigen Anregung des Plasmas ist die Homogenität und dadurch die Größe der zu bearbeitenden Fläche limitiert. Hierfür bietet sich ein Array von Plasmastrahlen an, das diesen Nachteil kompensiert.

Wird zusätzlich ein 'Remoteplasma' verwendet, wird das Plasma an getrennten Orten erzeugt und angewendet. Dadurch lassen sich Chemie und Zeitentwicklung der Bearbeitung besser kontrollieren. Zudem sind mikrowellenangeregte Plasmen (2,45 GHz) trotz ihrer hohen Elektronendichte (> 1019 m-3) selbst bei Atmosphärendruck relativ kalt. All diese Eigenschaften berücksichtigt das FBH bei der neuen Quellenentwicklung. Durch ihre besondere Konstruktion eigen sich die Quellen nicht nur für den Betrieb mit Argon oder Luft, sondern auch mit hochreaktiven Gasen wie Fluor oder Chlor.

Die wichtigsten Herausforderungen bei derartigen Plasmajet-Quellen sind

  • effizienter Energietransfer zum Plasma (> 60%, statt klassisch 10%)
  • kompakte und robuste Justage der Resonanzfrequenz sowie der Impedanzanpassung für den Betrieb mit verschiedenen Gasen

Wir untersuchen und entwickeln mikrowellengetriebene ICP-Plasmaquellen im Rahmen eines DFG-Projekts in Kooperation mit der Ruhr Universität Bochum. Dabei bringen wir insbesondere unsere Kompetenzen in der 3D-Simulationen und Entwicklung von dedizierten Resonatoren und Anpassungsschaltungen bzw. in der Anwendung von speziellen Messmethoden ein.