DE10115241A1

DE10115241A1 - Vorrichtung und Verfahren zur atmosphärischen Plasmabehandlung

Info

Publication number: DE10115241A1
Application number: DE10115241A
Authority: DE
Inventors: Roland Gesche; Reinhold Kovacs; Harald Tobies; Frank Wette
Original assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2002-10-24

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.

Stand der Technik

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.

Beschreibung der Vorrichtung und des Verfahrens Beschreibung der Vorrichtung

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.

Beschreibung der Verfahren

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.

Verfahrens-Beispiele a) Aktivierung

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.

b) Reinigung

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.

c) Beschichtung

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

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.