Prozessgase

Im Allgemeinen bezeichnet ein Prozessgas jedes Gas oder Gasgemisch, das in einem industriellen, chemischen oder fertigungstechnischen Prozess eingesetzt wird, um einen Produktionsablauf zu ermöglichen, zu unterstützen oder zu verändern. Im Gegensatz zu Versorgungsmedien (die üblicherweise anlagenweit zur Energieversorgung oder Beheizung genutzt werden) greift ein Prozessgas aktiv in den eigentlichen Produktionsmechanismus ein.

Im Bereich der Plasmatechnologie lassen sich verschiedene Arten von Prozessgasen unterscheiden, die zum technologischen Ergebnis beitragen:

• Ionisationsgas

  Dies ist das Gas, in dem die Gasentladung stattfindet und das dabei große Mengen an Elektronen, Ionen und angeregten Spezies erzeugt. Der Großteil der elektrischen Energie wird vom Ionisationsgas aufgenommen. Typischerweise wird hierfür Argon (Ar) verwendet; in Sonderfällen sind jedoch auch andere Edelgase – wie beispielsweise Helium (He) – von Bedeutung. In vielen Prozesskonfigurationen wird die Funktion des Ionisationsgases mit der des Reaktanten zusammengefasst. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn zur Plasmaerzeugung Luft (komprimierte, getrocknete Luft – CDA – oder synthetische Luft) oder Formiergas (Stickstoff mit Wasserstoff) eingesetzt wird.

• Reaktantengas (Eingangsmedium)

  Hierbei handelt es sich um ein chemisch aktives Gas, das dem Ionisationsgas beigemischt, hinzugefügt oder an dessen Stelle verwendet wird. Typische Beispiele sind Sauerstoff, der für oxidationsbasierte Prozesse zugesetzt wird, Stickstoff für Nitrierprozesse sowie Wasserstoff für Reduktionsprozesse. Zu den Reaktantengasen zählen auch die Präkursoren (Vorläuferstoffe), die in Beschichtungsverfahren zum Einsatz kommen – häufig in Form von Dämpfen organischer Materialien.

• Trägergas

  Dieses dient dazu, nicht gasförmige Materialien – etwa Precursor-Tröpfchen oder Pulver – in das Plasma einzubringen. Das Hauptmerkmal des Trägergases besteht darin, dass es nur minimal zu chemischen Reaktionen und zur thermischen Bilanz im Plasma beiträgt. Am häufigsten werden hierfür Helium (He), Argon (Ar) oder Stickstoff (N₂) verwendet.

• Plasmagas (Produkt)

  Das Ergebnis der Gasentladung ist das Plasmagas, das eine Vielzahl chemischer Radikale enthält, die mit den Substraten interagieren können. Bei Prozessen unter Atmosphärendruck wird das Plasmagas vom Plasmareaktor auf die Substratoberfläche geleitet und muss neutralisiert werden, bevor es in die Umgebungsluft abgegeben wird.

• Umgebungsmedium (Umgebungsatmosphäre)

  Typischerweise besteht es aus Luft, einschließlich der darin enthaltenen Feuchtigkeit. Um die störenden Sekundäreffekte reaktiver Gase in der Luft (z. B. Sauerstoff oder Wasser) zu minimieren, wird häufig eine künstliche Umgebungsatmosphäre aus inerten oder trockenen Gasen – wie Argon (Ar) oder Stickstoff (N₂) – geschaffen.

Für die Prozessführung sind verschiedene Gasquellen bekannt. Zur Bereitstellung von CDA (Compressed Dry Air) werden Kompressoren eingesetzt, die über Filter- und Trocknungsstufen verfügen. Mittels Membranseparatoren lässt sich die Konzentration von Sauerstoff oder Stickstoff in technischen Gasen erhöhen. Reingase werden in Druckbehältern (z. B. 10-l- oder 50-l-Flaschen) geliefert, typischerweise mit einem Druck von 200 oder 300 bar. Bei hohem Verbrauch werden verflüssigte Gase (z. B. flüssiger Stickstoff – LN) eingesetzt, um die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Ebenfalls gebräuchlich ist der Einsatz von verfestigtem Kohlendioxid (CO₂-Eis).

Je nach Prozessanforderungen wird der Reinheitsgrad des Gases festgelegt.