DE10115241A1 - Vorrichtung und Verfahren zur atmosphärischen Plasmabehandlung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur atmosphärischen PlasmabehandlungInfo
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Abstract
Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung, die eine Plasmabehandlung von Oberflächen unter atmosphärischen Bedingungen ermöglicht (Plasmapistole), und Verfahren für die Verwendung dieser Vorrichtung beschrieben. Zu den Einsatzmöglichkeiten zählen die Plasmaaktivierung, die Plasmareinigung, die Plasmaentkeimung und die Plasmapolymerisation. DOLLAR A Hydrophobe Kunststoffe lassen sich damit beispielsweise vor dem Bedrucken oder Verkleben aktivieren, d. h. die Oberflächenspannung wird erhöht. Die Abreinigung von organischen Verunreinigungen ist möglich. Durch Einsatz verschiedener Precursor-Substanzen lassen sich dünne plasmapolymerisierte Schichten im CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) aufbringen. Außerdem wird eine Keimreduktion auf allen Substraten erreicht. DOLLAR A Die Plasmapistole ist kompakt und mobil. Sie erlaubt die Plasmabehandlung von sperrigen Gegenständen, z. B. Plastikstoßfänger in der Automobilindustrie. Punktuelle Behandlungen sind ebenfalls möglich. Die Vorteile einer Plasmaentladung unter reduziertem Druck, nämlich das unproblematische Zündverhalten, das homogenere Plasma verglichen mit Normaldruckverfahren und die geringe thermische Belastung, werden mit den einfachen und kostengünstigen technischen Anforderungen unter atmosphärischen Bedingungen kombiniert. Mechanische Vakuumpumpen und Rezipienten sind nicht erforderlich.
Description
Gegenstand der Anmeldung ist zum einen eine Vorrichtung, die eine modifizierende
Behandlung von Oberflächen mit Plasma unter atmosphärischen Bedingungen er
möglicht. Diese Vorrichtung wird im folgenden Plasmapistole genannt. Zum anderen
werden Verfahren für die Verwendung dieser Vorrichtung beschrieben.
Modifizierte Oberflächen finden beispielsweise in der Kunststoff verarbeitenden In
dustrie Anwendungen. Hydrophobe Kunststoffe müssen häufig vor dem Bedrucken
oder Verkleben aktiviert werden, d. h. die Oberflächenspannung wird durch Aufbrin
gen entsprechender funktioneller Gruppen oder durch Beschichten erhöht (Hydro
philisierung).
Typische Anwendungen in der Elektrotechnik und im Maschinenbau ist die Abreini
gung von organischen Verunreinigungen, z. B. Fette und Öle, die während vorange
stellter mechanischer Bearbeitungsschritte als Kühlschmiermittel oder Korrosions
schutz mit dem Werkstück in Berührung gekommen sind. Die Oberflächenreinigung
ist ein Prozessschritt, der über die Machbarkeit und Qualität eines Prozesses bzw.
eines Werkstücks entscheidet.
Aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihrer Mobilität ist die Plasmapistole überall
dort den gängigen Verfahren überlegen, wo die konstruktiven Voraussetzungen für
den Einsatz stationärer Apparaturen nicht oder nur unter großen technischen Anstrengungen
gegeben sind. So lassen sich damit große und sperrige Gegenstände
wie z. B. Stoßfänger in der Automobilindustrie behandeln. Punktuelle Behandlungen
sind ebenfalls möglich, wenn aus wirtschaftlichen Überlegungen nur bestimmte Be
reiche modifiziert werden sollen.
Plasmen werden seit etwa drei Jahrzehnten für Oberflächenbehandlungen ange
wandt. Mit Plasma läßt sich sowohl Material abtragen (Reinigung, Ätzen) als auch
aufbringen (Beschichtung). Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren ergeben
sich durch die Erzeugung hoher Konzentrationen reaktiver Teilchen, z. B. Radikale,
Atome und Ionen in elektronisch angeregten Zuständen. Damit werden chemische
und physikalische Umsetzungen ermöglicht, die ansonsten nicht oder unter wesent
lich aggressiveren Bedingungen, das heißt mit hohen thermischen Belastungen für
die Werkstücke, durchgeführt werden könnten.
Derzeit werden Oberflächenbehandlungen mit Plasma vorzugsweise unter redu
ziertem Druck (Vakuum) durchgeführt. Hierzu wird ein evakuierbarer Behälter (Re
zipient) benötigt, in dem die zu behandelnden Werkstücke einem Plasma ausge
setzt werden. Typische Drücke liegen zwischen 0,1 und 100 Pascal. Nachteilig
hierbei ist der hohe technische Aufwand, denn für die Vakuumerzeugung sind Pum
pen erforderlich, die einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen.
Mechanische Vakuumpumpen entfallen bei der hier beschriebenen Vorrichtung. Ein
Rezipient, in dem die Werkstücke behandelt werden, ist ebenfalls nicht erforderlich.
Es existieren auch Verfahren, um unter Normaldruck (1 atm) Plasmen zu erzeugen.
Dabei handelt es sich z. B. um Plasmabrenner (Plasma torch) oder Mikrowellen-
Ringresonatoren. Solche atmosphärischen Plasmen zeichnen sich durch hohe
Temperaturen aus. Sie können einige tausend Kelvin betragen. Durch die thermi
sche Beanspruchung können ebenfalls irreversible Schäden an den Substraten
auftreten, die die Verwendbarkeit von Normaldruckplasmen stark einschränken.
Außerdem ist die Homogenität dieser Plasmen gering verglichen mit Niederdruck
anwendungen.
Somit vereint die Plasmapistole die Vorteile einer Plasmaentladung unter reduzier
tem Druck, nämlich das unproblematische Zündverhalten, das homogenere Plasma
verglichen mit Normaldruckverfahren und die geringere thermische Belastung, mit
den einfachen und kostengünstigen technischen Anforderungen, die bei Verfahren
unter atmosphärischen Bedingungen erforderlich sind.
Abb. 1 zeigt die Vorrichtung zur atmosphärischen Plasmabehandlung (1). Sie
besteht aus einer Treibdüse (2), einem Diffusor (3), einer Plasmakammer (4), je
einem Anschluss für das Treib- (5) und das Prozessgas (6), einer elektromagneti
schen Abschirmung (7a-c), einer Halterung (8) und einem Anschluss für die Strom
versorgung (9).
Erfindungsgemäß sind Treibdüse (2) und Diffusor (3) elektrisch voneinander isoliert.
Zu diesem Zweck besteht der Körper der Plasmakammer (4) aus nichtleitendem
Material. Hierfür wird vorzugsweise ein temperaturbeständiger Kunststoff, z. B.
PEEK, oder Keramik verwendet. Diffusor (3) und Treibdüse (2) bestehen aus Metall
und sind vakuumdicht mit der Plasmakammer (4) verbunden, die die beiden Teile
zentriert.
Am Anschluss (5) wird ein Treibgas unter hohem Druck bereitgestellt. Als Treibgas
können Edelgase, Stickstoff, Sauerstoff und Gemische hieraus Verwendung finden.
Typische Drücke liegen zwischen 5 und 50 bar. Durch die Treibdüse (2) strömt das
Treibgas mit großer Geschwindigkeit. Im Zusammenspiel mit der speziellen Geo
metrie von Diffusor (3) und Treibdüse (2) entsteht so eine Jet-Pumpen-Wirkung
(Gasstrahlpumpe). Indem Gasteilchen durch den Treibgasstrom mitgerissen wer
den, verringert sich der Druck in der Plasmakammer (4) auf Werte zwischen 900 bis
100 hPa. Da die Gasstrahlpumpe ohne bewegte Teile auskommt, ist sie wartungs
frei.
Zum Zünden der Plasmaentladung sind Spannung zwischen 1000 und 10000 V
erforderlich. Als Energiequellen finden Generatoren Verwendung, die Gleichstrom
oder Wechselstrom mit Frequenzen zwischen 50 Hz und 100 MHz liefern. Die Lei
stung liegt zwischen 50 und 1000 W. Bei der Verwendung eines Hochfrequenzge
nerators ist zusätzlich ein Anpassungsnetzwerk (Matchbox) zwischen Generator
und Plasmapistole erforderlich, um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen.
Das über den Gasanschluss (6) zugeleitete Prozessgas wird durch den Ringspalt
zwischen Treibdüse (2) und Diffusor (3) gesaugt. Durch die angelegte Spannung
entsteht ein rotationssymmetrischer Plasmavorhang, durch den die Prozessgas
moleküle treten müssen. Dabei werden sie elektronisch stark angeregt. Dies führt
zu Ionisation und Molekülspaltung. Die angeregten Teilchen werden zusammen mit
nicht umgesetztem Prozessgas als Gasstrahl gegen den Druckgradienten aus der
Plasmakammer (4) gefördert.
Die Halterung (8) dient der einfachen manuellen Bedienung. Natürlich ist es auch
möglich, die Vorrichtung fest zu installieren, z. B. in einem automatisierten Ablauf.
Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren technisch weniger aufwendig als unter Stand
der Technik beschrieben, da weder ein Rezipient zur Aufnahme der Werkstücke
noch mechanische Vakuumpumpen benötigt werden. Somit bietet es auch wirt
schaftliche Vorteile.
Bei den Materialien, aus denen die zu behandelnden Werkstücke (Substrate) be
stehen, gibt es keine Beschränkungen. Organische Polymere können damit ebenso
bearbeitet werden, wie anorganische Materialien wie Metalle, Keramiken und Glas.
Auf Grund der kompakten Bauweise der Plasmapistole und der daraus folgenden
mobilen Handhabung kann deren Geometrie praktisch beliebig sein. Bei den Nie
derdruck-Plasma-Verfahren stellt dieser Punkt einen limitierenden Faktor dar.
Zweck der Oberflächenmodifizierung kann die Reinigung oder Aktivierung mit
Plasma sein. In beiden Fällen kommt vorzugsweise Sauerstoff oder Luft als Pro
zessgas zum Einsatz. Diese können zusätzlich mit Edelgasen vermischt werden. Im
Falle von Sauerstoff als Reaktivgas entstehen beispielsweise Sauerstoff-Atome,
-Ionen und angeregte -Moleküle. Viele dieser Teilchen sind chemisch sehr reaktiv.
Bei der Aktivierung werden hydrophile funktionelle Gruppen, die häufig Sauerstoff
enthalten, in die Oberfläche eingebaut, um eine höhere Oberflächenspannung zu
erzielen. Außer Sauerstoff kommen sauerstoffhaltige, stickstoffhaltige und schwe
felhaltige Gase in Betracht.
Bei der Abreinigung von Kohlenwasserstoffen und ihren Derivaten, die Sauerstoff,
Stickstoff und Halogene aufweisen können, werden die organischen Komponenten
durch die Umsetzung mit reaktiven Sauerstoffteilchen im wesentlichen zu Wasser
und Kohlendioxid oxidiert. Außer Sauerstoff kommen auch Fluor und Chlor und
gasförmige Verbindungen dieser Elemente als Reaktivgaskomponente in Frage.
Auch die plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PACVD)
ist möglich. Dazu werden in der Regel organische Verbindungen (Precursor), die
den abzuscheidenden Stoff oder eine Komponente dieses Stoffs enthalten, dem
Plasmagas oder dem Treibgas zugesetzt. Durch die Plasmaeinwirkung kommt es
zur Zersetzung dieser Precursor. Die so generierten reaktiven Teilchen scheiden
sich auf den Oberflächen ab, die mit dem Gasstrom in Berührung kommen. Auf der
Substratoberfläche bilden sich dann durch Reaktion dieser Teilchen polymerartige
Schichten, die hochvernetzt sind.
Reaktive Teilchen aus dem Gasstrom bewirken zudem eine Reduktion von biologi
schen Keimen auf allen Substraten. Nach heutiger Kenntnis beruht die Entkeimung
dabei auf der Schädigung der Zellen durch z. B. Sauerstoff- bzw. Wasserstoffatome
und Ozon.
Polyethylen (PE) weist eine geringe Oberflächenspannung auf, die vor einer zuver
lässigen Verklebung erhöht werden muss. Mit der vorgestellten Vorrichtung kann
diese Anforderung erreicht werden, indem ein Argon-Treibstrahl mit einem Vordruck
von 20 bar eingestellt und 100 l/h Luft über den Prozessgasanschluss eingelassen
werden. Bei einem Druck unter 200 mbar wird die Entladung durch Anlagen einer
Zündspannung von 2000 V gezündet. Die mittlere Plasmaleistung beträgt 100 W.
Die so voreingestellte Plasmapistole muss in einer Entfernung von ca. 30 mm vor
dem PE-Substrat positioniert bzw. bewegt werden. Nach ca. einer Minute ist der
Prozess abgeschlossen und die Oberflächenspannung auf einen Wert angehoben,
der die Verklebung erlaubt.
Werkstücke, von denen ein Ölfilm (Kühlschmierstoff) entfernt werden sollen, be
handelt man analog dem Beispiel a mit einem Sauerstofffluss von mindestens
100 l/h und einer Leistung von 300 W. Abhängig von der Art und der Dicke der
Ölschicht wird die Behandlungszeit gewählt.
Zur Beschichtung eines Werkstücks mit einer plasmapolymerisierten Schicht wird
als Reaktivgas ein Kohlenwasserstoff eingelassen. Dabei kann es sich um gesät
tigte und ungesättigte Verbindungen mit Mehrfachbindungen handeln. In diesem
Fall wird ein Prozessgasstrom von 5 l/h eingelassen. Der weitere Prozessablauf
entspricht dem unter Beispiel a. Die erforderliche Prozesszeit richtet sich nach der
gewünschten Schichtdicke und dem verwendeten Prozessgas.
Claims (28)
1. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass
mit Hilfe einer Gasströmung ein Unterdruck erzeugt wird und in diesem Unter
druckbereich eine Gasentladung (Plasma) durch Einkopplung elektrischer
Energie gezündet wird, deren Wirkung zur Behandlung der Oberfläche verwen
det wird.
2. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass sich das Werkstück bei der Behandlung an Atmosphäre
befindet.
3. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als elektrische Versorgung Gleichstrom verwendet wird.
4. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als elektrische Versorgung die Netzfrequenz (50 Hz/60 Hz)
verwendet wird.
5. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als elektrische Versorgung Niederfrequenz (< 20 kHz) ver
wendet wird.
6. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als elektrische Versorgung Mittelfrequenz (20 kHz-1 MHz)
verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als elektrische Versorgung Hochfrequenz (1 MHz-1 GHz)
verwendet wird.
8. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als elektrische Versorgung Mikrowelle (< 1 GHz) verwendet
wird.
9. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Unterdruckerzeugung mittels Fluidströmung nach dem
Prinzip einer Strahlpumpe (Jet-Pumpe) arbeitet.
10. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, dass die elektrische Versorgung zur Erzeugung der Gasentla
dung zwischen der Treibdüse und dem Diffusor und/oder dem Gehäuse der
Gasstrahlpumpe angeschlossen wird.
11. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass ein Anschluss für das Treibmittel und ein weiterer An
schluss für zusätzliches Prozessgas zum Einlass im Unterdruckbereich vorge
sehen wird.
12. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als Treibmittel Luft verwendet wird.
13. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass als Treibmittel ein Inertgas (z. B. Argon) verwendet wird.
14. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass ein liquides Treibmittel (z. B. Wasser) verwendet wird.
15. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass dem Treibmittel ein Reaktivgas (z. B. Sauerstoff, Wasser
stoff, Stickstoff) zugesetzt wird.
16. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass dem Treibmittel ein Precursor zugesetzt wird.
17. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, dass über den Prozessgasanschluss ein Reaktivgas (z. B. Sau
erstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf, Ammoniak) zugeführt wird.
18. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, dass über den Prozessgasanschluss ein Precursor zugeführt
wird.
19. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Ansprüchen 16 und 18, da
durch gekennzeichnet, dass es sich bei den Precursoren um Kohlenwasser
stoffe mit und ohne funktionelle Gruppen handelt.
20. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Ansprüchen 16 und 18, da
durch gekennzeichnet, dass es sich bei den Precursoren um Silane und Silox
ane handelt.
21. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Ansprüchen 16 und 18, da
durch gekennzeichnet, dass es sich bei den Precursoren um Metallorganyle
handelt.
22. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Anordnung zur chemischen oder physikalischen Modifi
kation von Oberflächen verwendet wird.
23. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, dass es zur Aktivierung von Oberflächen verwendet wird.
24. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, dass es zur Änderung von Oberflächenenergien verwendet wird.
25. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, dass es zur Entfernung von organischen Schichten eingesetzt
wird (Reinigung).
26. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, dass es zur Reduktion von Metalloxiden mit Wasserstoff als Re
aktivgas verwendet wird.
27. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, dass es zum Aufbringen von Schichten auf Oberflächen verwen
det wird.
28. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, dass es zur Sterilisation oder Keimreduktion von Oberflächen
verwendet wird.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10115241A DE10115241A1 (de) | 2001-03-28 | 2001-03-28 | Vorrichtung und Verfahren zur atmosphärischen Plasmabehandlung |
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Publications (1)
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ID=7679354
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