DE102005059706A1

DE102005059706A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Trennschicht

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Publication number: DE102005059706A1
Application number: DE102005059706A
Authority: DE
Inventors: Dirk Salz; Jörg IHDE; Uwe Lommatzsch; Claus Müller-Reich; Jost Degenhardt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: DE102005059706B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche, wobei ein Plasmapolymer auf der Substratoberfläche bei Atmosphärendruck unter zeitlich konstanten Polymerisationsbedingungen gebildet wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche und eine Plasmastrahlführungseinrichtung zum Führen eines Plasmastrahls zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche, die so ausgestaltet ist, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung in einem Austrittbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung nicht an den Plasmastrahl gelangt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Plasmastrahlführungseinrichtung zum Führen eines Plasmastrahls zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche, eine Substratoberfläche mit einer nach dem Verfahren herstellbaren plasmapolymeren Trennschicht und ein Formgebungswerkzeug mit dieser Substratoberfläche.
Trennschichten (Dehäsivschichten) werden insbesondere bei der Ausformung von Formteilen in Formgebungswerkzeugen verwendet. Dabei wird vor dem Ausformungsprozess das Formgebungswerkzeug mit einer Trennschicht beschichtet. Dann wird das Formgebungswerkzeug mit dem Formmaterial, häufig Kunststoffe, insbesondere Epoxide, gefüllt und das Formmaterial wird zu dem Formteil ausgeformt. Aufgrund der Trennschicht lässt sich das Formteil nach dem Ausformen dem Formgebungswerkzeug leicht entnehmen. Das Formteil ist leicht von der Trennschicht trennbar, und die Schicht weist zugleich eine gute Haftung zur Substratoberfläche des Formgebungswerkzeugs auf.
Die Trennschichten sollen eine gute Haftung zur jeweiligen Substratoberfläche, beispielsweise zur Oberfläche des Formgebungswerkzeuges, aufweisen, temperaturstabil, lösemittelstabil und chemisch abweisend sein. Des Weiteren soll sie auf der der Substratoberfläche gegenüberliegenden Oberfläche gute Trenneigenschaften aufweisen.

Aus dem Stand der Technik sind Trennmittelsysteme, beispielsweise in Form von Lösungen oder Dispersionen, bekannt, die auf die Substratoberfläche eines Formgebungswerkzeugs aufgesprüht werden. Diese Trennmittelsysteme bestehen aus trennaktiven Wirkstoffen und einem Trägermedium, in der Regel organischen Lösungsmitteln wie beispielsweise Kohlenwasserstoffen (teilweise auch chloriert) und Wasser. Bei solchen Trennmittelsystemen verbleibt jedoch meistens Trennmittel auf dem zu trennenden Formteil. Dies kann zu Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung, beispielweise beim Kleben, Kaschieren, Lackieren oder Metallisieren, führen. Zudem geben diese Trennmittelsysteme erhebliche Mengen an Lösungsmittel in die Umwelt ab.

Aus dem Stand der Technik sind auch so genannte semipermanente Trennmittel bekannt, die im Vergleich zu den oben genannten Trennmittelsystemen längere Zeit und auch nach mehrmaligem Ausformen auf dem Formgebungswerkzeug verbleiben und demnach etwas kostengünstiger sind. Jedoch muss auch bei diesen semipermanenten Trennmitteln in regelmäßigen Abständen Trennmittel nachgegeben werden, und es ist auch bei diesen Trennmitteln nicht auszuschließen, dass Trennmittel auf der Oberfläche des Formteils verbleibt. Die bekannten semipermanenten Trennmittel haften zudem leicht an häufig verwendeten Kunststoff-Formteilen.

Aus dem Stand der Technik sind zudem Trennmittel bekannt, die dem Formmaterial zugegeben werden, wobei diese Trennmittel während der Ausformung innerhalb des Formmaterials an die Oberfläche des sich bildenden Formteils wandern und dort den Trennungsprozess auslösen. Durch diese internen Trennmittelsysteme entfällt das ständige Auftragen des Trennmittels auf das Formgebungswerkzeug, was zu Kosteneinsparungen führt. Da das interne Trennmittel an der Oberfläche des Formteils vorhanden ist und/oder an der Oberfläche austritt, beeinflussen diese internen Trennmittelsysteme jedoch die Oberfläche des Formteils, was zu Problemen bei der Weiterbehandlung, beispielsweise beim Kleben, Kaschieren, Lackieren oder Metallisieren, führt.

Aus der EP 084 11 40 ist ein Verfahren zur Verbesserung des Lösens des Formteils aus einem Formgebungswerkzeug bekannt, bei dem durch Plasmavorbehandlung und Plasmabeschichtung die Oberflächenenergie herabgesetzt wird. Plasmapolymere Schichten mit niedriger Oberflächenenergie werden beispielsweise auch in DE 195 431 33 beschrieben. Diese Schichten lassen sich derart einstellen, dass ausgehärtete Kunststoffgegenstände keine chemische Reaktion mit der Oberfläche der plasmapolymeren Schichten eingehen. Dennoch sind recht hohe Adhäsionskräfte vorhanden, was häufig dazu führt, dass Formteile erst entformt werden können, wenn das Formmaterial vollständig ausgehärtet ist, da ansonsten die Oberfläche des Formteils beschädigt werden kann. Die Trennwirkung derartiger Schichten ist daher nicht zufriedenstellend. Zudem werden diese Trennschichten unter Niederdruckbedingungen erzeugt, was einen hohen apparativen Aufwand erfordert und damit hohe Kosten verursacht.

EP 1 301 286 offenbart ein Verfahren, bei dem Trennschichten (Entformungsschichten) durch Plasmapolymerisation auf der Oberfläche eines Formgebungswerkzeugs hergestellt werden. Dabei werden unter Niederdruckbedingungen die Plasmapolymerisationsbedingungen zeitlich variiert, um einen Gradientenschichtaufbau in der Trennschicht zu erzeugen. Auch eine derartige Herstellung von Trennschichten erfordert auf Grund der zeitlichen Variation der Plasmapolymerisationsbedingungen sowie auf Grund des verwendeten Niederdrucks und der damit verbundenen notwendigen Verwendung einer Vakuumkammer, einen hohen apparativen Aufwand und verursacht daher hohe Kosten.

Aus dem Stand der Technik sind damit Verfahren zum Herstellen von Trennmitteln auf Substratoberflächen bekannt, bei denen Trennmittelsysteme verwendet werden, die nach ein- oder mehrmaligem Ausformen erneut zugegeben werden müssen, also hohe Kosten verursachen, die zudem häufig teilweise auf der Oberfläche des Formteils verbleiben, was das Weiterverarbeiten der Formteile erschwert, und/oder die in die Umgebung emittieren und damit gesundheitsschädigend sind. Des Weiteren sind Verfahren bekannt, bei denen einer hoher apparativer Aufwand erforderlich ist und die damit hohe Kosten verursachen. Der hohe apparative Aufwand ist im Stand der Technik erforderlich, um eine genau spezifizierte Niederdruckatmosphäre über einen langen Zeitraum mittels einer Vakuumkammer aufrecht zu erhalten und um gleichzeitig, gemäß der EP 1 301 286 , die Polymerisationsbedingungen, also beispielsweise den Druck, die Durchflussrate eines Arbeitsgases, das zum Plasma angeregt wird, oder die Anregungsenergie etc. zu variieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche anzugeben, das Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere im Vergleich zu bekannten Verfahren einen geringeren Aufwand erfordert und damit geringere Kosten verursacht. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahren, eine Plasmastrahlführungseinrichtung zum Führen eines Plasmastrahls zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche, eine Substratoberfläche mit einer erfindungsgemäß herstellbaren Trennschicht und ein Formgebungswerkzeug mit dieser Substratoberfläche anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche, wobei ein Plasmapolymer auf der Substratoberfläche bei Atmosphärendruck unter zeitlich konstanten Polymerisationsbedingungen gebildet wird.

Bei der Plasmapolymerisation wird ein strömendes Arbeitsgas, bevorzugt Stickstoff durch Energiezufuhr zu einem Plasmastrahl angeregt. Das Arbeitsgas ist bei der Plasmapolymerisation ein Ionisationsgas, das heißt, ein Gas, das durch Energiezufuhr unter Bildung von Ionen, Radikalen, Elektronen und Photonen zu einem Plasmastrahl angeregt wird. Das Arbeitsgas kann ein Precursormaterial enthalten. Dem Plasmastrahl wird ein (ggf. zusätzliches) Precursormaterial zugeführt, das durch die aktiven Spezies im Plasmastrahl, insbesondere durch die Ionen, Radikale und Elektronen und durch die hohe Temperatur des Plasmastrahls fragmentiert. Der Plasmastrahl mit den Precursorfragmenten wird auf eine zu beschichtende Substratoberfläche geführt, auf der sich die Fragmente des Precursormaterial zu einer Polymerschicht vernetzen. Plasmapolymerisation unterscheidet sich von einer Polymerisation im konventionellen Sinne insbesondere dadurch, dass das Ausgangsmaterial (Precursormaterial) zunächst frag mentiert/ionisiert/angeregt und anschließend polymerisiert wird. Das „Plasmapolymer eines Precursormaterials" ist das entsprechende Polymerisationsprodukt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Atmosphärendruck durchgeführt. Es wird daher keine Vakuumkammer benötigt, was die Herstellung von Trennschichten (insbesondere Entformungsschichten) stark vereinfacht und damit Kosten einspart. Des Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren bei zeitlich konstanten Polymerisationsbedingungen durchgeführt, das heißt, während der Herstellung der Trennschichten müssen beispielsweise die Durchflussrate des Arbeitsgases, der Druck oder die zugeführte Energiemenge nicht variiert werden, wodurch die Verfahrensdurchführung und der benötigte apparative Aufwand weiter erleichtert werden.

Bevorzugt werden bei der Plasmapolymerisation ein Si-haltiges Precursormaterial und zusätzlich, als weiteres Precursormaterial, Sauerstoff eingesetzt. Dabei wird die Menge an zusätzlich eingesetztem Sauerstoff so gewählt, dass das Verhältnis von Si-Atomen zu O-Atomen in der Trennschicht im Bereich von 0,7 bis 1,3 liegt. Weiter bevorzugt wird die Menge an zusätzlich eingesetztem Sauerstoff so gewählt, dass das Verhältnis von Si-Atomen zu O-Atomen in der Trennschicht im Bereich von 0,8 bis 1,2 liegt. Weiter bevorzugt wird die Menge an zusätzlich eingesetztem Sauerstoff so gewählt, dass dieses Verhältnis im Bereich von 0,9 bis 1,1 liegt. Und weiter bevorzugt wird die Menge an zusätzlich eingesetztem Sauerstoff so gewählt, dass die Anzahl an Si-Atomen und die Anzahl an O-Atomen in der Trennschicht gleich ist.

Da die Vernetzung der Molekülfragmente bevorzugt über Sauerstoffverbindungen stattfindet, führt der Einsatz von Sauerstoff als weiteres Precursormaterial während der Plasmapolymerisation zu einer weiteren Stabilisierung des sich bildenden bzw. gebildeten Siloxan-Netzwerkes, wodurch die Hafteigenschaften der Trennschicht weiter verbessert werden. Gleichzeitig kann aber der Einsatz von Sauerstoff als weiteres Precursormaterial nachteiligerweise, insbesondere bei zu hohen eingesetzten Konzentrationen, zu einer Abspaltung von reaktionsträgen organischen Gruppen führen. Beispielsweise führt bei der Verwendung von Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als Si-haltiges Precursormaterial der Einsatz einer zu großen Menge an Sauerstoff als weiteres Precursormaterial zu einer zu weitgehenden Abspaltung von Methylgruppen, wodurch die Trenneigenschaften der Trennschicht verschlechtert werden. Es ist daher wichtig, die Menge an Sauerstoff so zu wählen, dass die Trennschicht an ihrer der Substratoberfläche zugewandten Oberfläche (Grenzfläche) eine gute Haftung und auf der gegenüberliegenden Oberfläche gute Trenneigenschaften (z.B. erreicht durch eine hohe Zahl von CH₃-Gruppen) aufweist. Dies konnte erfindungsgemäß erreicht werden, indem die Menge an zusätzlich verwendetem Sauerstoff so gewählt wurde, dass das Verhältnis von Si-Atomen zu O-Atomen in der gebildeten Trennschicht im Bereich von 0,7 bis 1,3 liegt.

Es ist bevorzugt, dass das sich bildende und/oder gebildete Plasmapolymer so behandelt wird, dass reaktive Gruppen auf der Oberfläche der Trennschicht, die der Substratoberfläche abgewandt ist, abgebaut werden. Bevorzugt wird das sich bildende und/oder gebildete Plasmapolymer zudem so behandelt, dass reaktive Gruppen auch im Inneren der Trennschicht abgebaut werden.

Auf der Oberfläche der Trennschicht, die der Substratoberfläche abgewandt ist, können reaktive Gruppen angeordnet sein, beispielsweise Silanol-Gruppen, die die Trenneigenschaft herabsetzen. Eine Behandlung des Plasmapolymers, die die reaktiven Gruppen auf der Oberfläche der Trennschicht abbaut, führt daher zu einer weiteren Verbesserung der Trenneigenschaft der Trennschicht.

Im Inneren der Trennschicht sind ebenfalls reaktive Gruppen, zum Beispiel Silanol-Gruppen, angeordnet, die zur Erhöhung des Vernetzungsgrades bevorzugt abgebaut werden.

Ein Abbau der reaktiven Gruppen kann beispielsweise erfolgen, indem die Trennschicht über mehrere Monate an Luft gelagert wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Abbau der reaktiven Gruppen mittels einer thermischen Behandlung durchgeführt werden, die nachfolgend näher beschrieben wird.

Bevorzugt wird das sich auf der Substratoberfläche bildende oder gebildete Plasmapolymer thermisch behandelt, vorzugsweise getempert.

Die thermische Behandlung kann durchgeführt werden, nachdem das Polymer auf der Substratoberfläche abgeschieden worden ist. Bevorzugt wird die abgeschiedene Schicht bei einer Temperatur zwischen 130°C bis 220° unter Luft getempert. Die Zeitdauer des Tempervorgangs beträgt bevorzugt mindestens 1 min, weiter bevorzugt mindestens 10 min und weiter bevorzugt mindestens 60 min. Weiter bevorzugt wird die abgeschiedene Schicht nach der Abscheidung bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur von 150°C über mindestens zwei Stunden getempert. Alternativ oder zusätzlich kann die Substratoberfläche auch während der Polymerisation aufgeheizt werden, um eine thermische Behandlung auch schon während der Polymerisation zu bewirken, wobei während der Polymerisation die Temperatur bevorzugt maximal 100°C beträgt und weiter bevorzugt zwischen 40°C und 60°C liegt.

Es hat sich herausgestellt, dass die thermische Behandlung des sich bildenden oder des gebildeten Polymers die chemische und mechanische Stabilität und auch die Trennwirkung weiter verbessert. Eine thermisch behandelte plasmapolymere Trennschicht verbleibt stabiler auf der Substratoberfläche, und ein auf der von der Substratoberfläche abgewandten Oberfläche der Trennschicht angeordnetes Objekt, beispielsweise ein ausgeformtes Kunststoff-Formteil, kann leichter von der Trennschicht entfernt werden.

Die Trenneigenschaft der Trennschicht wird durch die thermische Behandlung vermutlich dadurch verbessert, dass reaktive Gruppen, die auf der Oberfläche der Trennschicht, die der Substratoberfläche abgewandt ist, angeordnet sind, abgebaut werden. Wenn als Si-haltiges Precursormaterial beispielsweise HMDSO verwendet wird, verbleiben Silanolgruppen als reaktive Gruppen auf dieser Oberfläche. Die thermische Behandlung führt dazu, dass die Silanolgruppen untereinander reagieren, insbesondere kondensieren, wodurch sie abgebaut werden.

Es ist weiter bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Führen eines Arbeitsgases durch eine Anregungszone,
– Zuführen von Energie zu dem Arbeitsgas in der Anregungszone, um das Arbeitsgas zu einem Plasmastrahl anzuregen,
– Zuführen des Si-haltigen Precursormaterials zu dem Plasmastrahl in einem Zuführbereich, wobei der Zuführbereich in einem Bereich des Plasmastrahls angeordnet ist, in dem der Plasmastrahl eine Temperatur aufweist, die eine Teilfragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials bewirkt, das heißt, keine vollständige Fragmentierung,
– Führen des Plasmastrahls über die Substratoberfläche.

Das Arbeitsgas wird bevorzugt mittels einer Arbeitsgasführungseinrichtung durch eine Anregungszone geführt. Die Arbeitsgasführungseinrichtung umfasst oder ist bevorzugt ein Führungsrohr, in dem das Arbeitsgas strömt. Die Energie wird dem Arbeitsgas bevorzugt mittels einer Energiezuführungseinrichtung zugeführt.

Weiter bevorzugt wird die Energie dem Arbeitsgas zugeführt, indem in der Anregungszone, die bevorzugt innerhalb des Führungsrohres angeordnet ist, mittels Elektroden eine Entladung erzeugt wird, die das Arbeitsgas zu einem Plasma anregt. Das Si-haltige Precursormaterial wird in einem Bereich dem Plasmastrahl zugeführt, in dem der Plasmastrahl eine Temperatur aufweist, die für eine Teilfragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials ausreichend ist, bevorzugt mittels einer Zuführeinrichtung, insbesondere einer Zuführleitung oder Zuführöffnung. Als Si-haltiges Precursormaterial wird vorzugsweise HMDSO verwendet, das bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt. Das Si-haltige Precursormaterial HMDSO wird daher bevorzugt zugeführt, indem es verdampft und mit einem Trägergas, das bevorzugt Stickstoff ist, vermischt wird. Bei der Verdampfung ist die Temperatur so zu wählen, dass keine thermische Zersetzung des Si-haltigen Precursormaterials auftritt. HMDSO wird bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 70°C und 100°C verdampft. Weiter bevorzugt wird HMDSO bei einer Temperatur von 80°C verdampft. Das Gasgemisch aus Trägergas und Si-haltigem Precursormaterial wird bevorzugt mittels der Zuführeinrichtung in den Zuführbereich des Plasmastrahls geführt. Andere Si-haltige Precursormaterialien werden bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 50°C und 250°C verdampft. Als Trägergas wird bevorzugt ein reaktionsträges Gas oder Gasgemisch verwen det, insbesondere Stickstoff, Argon, Helium oder Krypton oder ein Gemisch von zweien dieser Gase oder mehreren dieser Gase.

Auch Wasserstoff oder Sauerstoff kann als Trägergas verwendet werden.

Eine Teilfragmentierung liegt bei der Verwendung von HMDSO als Si-haltiges Precursormaterial vor, wenn die Si-C-Bindungen zu einem wesentlichen Teil, aber nicht sämtlich gespalten sind und die Si-O-Bindungen im Wesentlichen nicht gespalten sind. Eine Teilfragmentierung liegt insbesondere vor, wenn im Mittel über alle HMDSO-Moleküle, deren Fragmente auf der Substratoberfläche abgeschieden worden sind, pro HMDSO-Molekül mindestens zwei Methylgruppen abgespalten wurden.

Wenn das Si-haltige Precursormaterial so zugeführt wird, dass eine Teilfragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials bewirkt wird, führt dies zu einer weiteren Verbesserung der Haftung der Trennschicht auf der Substratoberfläche. Die Temperatur liegt bei der Verwendung von HMDSO als Si-haltiges Precursormaterial im Zuführbereich bevorzugt in einem Bereich von 220–340°C und weiter bevorzugt 260–300°C.

Damit der Plasmastrahl im Zuführbereich die oben genannten Temperaturbedingungen erfüllt, ist der Zuführbereich bevorzugt stromabwärts von der Anregungszone angeordnet.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Plasmastrahl so geführt wird, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung nicht in einen Abscheidungsbereich des Plasmastrahls gelangt.

Der Abscheidungsbereich ist der Bereich des Plasmastrahls, der die Substratoberfläche überstreicht und in dem die Trennschicht auf der Substratoberfläche abgeschieden wird.

Ein unkontrollierter Einfluss von Luftsauerstoff und Luftfeuchtigkeit (aus der Umgebung) stört die Herstellung von Trennschichten. Ein Abschirmen des Plasmastrahls von diesen Einflüssen führt daher dazu, dass die Abscheidung in einer definierten Gasatmosphäre mit einem definierten Sauerstoffanteil erfolgt und dass Trennschichten erzeugt werden, deren Eigenschaften weiter verbessert sind, das heißt, die auf der Oberfläche (Grenzfläche), die der Substratoberfläche zugewandt ist, eine verbesserte Haftung, und auf der gegenüberliegenden Oberfläche verbesserte Trenneigenschaften aufweisen.

Um zu verhindern, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung an einen Plasmastrahl gelangt, kann beispielweise eine Plasmastrahlführungseinrichtung verwendet werden, die den Plasmastrahl, nachdem er eine Plasmadüse verlassen hat, umgibt. Diese Plasmastrahlführungseinrichtung kann beispielsweise einen Führungshohlzylinder, insbesondere einen Aluminium-Führungshohlzylinder, umfassen, der den Plasmastrahl umgibt. Wenn ein derartiger Führungshohlzylinder verwendet wird und insbesondere wenn der Abstand zwischen dem Austrittsende des Führungshohlzylinders und der zu beschichteten Substratoberfläche klein gewählt ist, bevorzugt kleiner als 6 mm, weiter bevorzugt kleiner als 4 mm und weiter bevorzugt kleiner als 2 mm, so ist der Druck zwischen dem Austrittsende des Führungshohlzylinders und der Substratoberfläche im Betrieb größer als der Umgebungsdruck, wodurch verhindert wird, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung im Abscheidungsbereich an den Plasmastrahl gelangen kann.

Erfindungsgemäß ist es weiter bevorzugt, dass der Plasmastrahl so geführt wird, dass das Si-haltige Precursormaterial nicht in einen Bereich gelangt, der stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist. Der Plasmastrahl wird bevorzugt so erzeugt, dass er in der Anregungszone die höchste Temperatur aufweist und stromabwärts mit zunehmender Entfernung von der Anregungszone abkühlt. Eine Rückströmung des Si-haltigen Precursormaterials zur Anregungszone, würde daher dazu führen, dass Teile des Si-haltigen Precursormaterials einer zu hohen Temperatur ausgesetzt sind, wodurch eine zu starke Fragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials auftreten kann. Wenn daher das Si-haltige Precursormaterial so geführt wird, dass eine derartige Rückströmung verhindert wird, führt dies zu einer Optimierung des Fragmentierungsgrades, was die Eigenschaften der Trennschicht verbessert.

Die Rückströmung des Si-haltigen Precursormaterials wird bevorzugt mittels einer Plasmastrahlführungseinrichtung verhindert, die bevorzugt einen Füh rungshohlzylinder umfasst, in dem der Plasmastrahl geführt wird und der so ausgebildet ist, dass im Zuführbereich im Betrieb ein niedrigerer Druck vorhanden ist als stromaufwärts dieses Zuführbereichs. Da Bereiche, die eine höhere Temperatur aufweisen, auch einen höheren Druck zeigen, wird diese Druckdifferenz bei dem Führungshohlzylinder dadurch erreicht, dass die Temperatur des Plasmastrahls stromabwärts abnimmt. Zudem kann oberhalb des Zuführbereiches und innerhalb des Führungshohlzylinders eine Blende angeordnet sein, die ein Eindringen des Si-haltigen Precursormaterials in einen Bereich, der oberhalb des Zuführbereichs angeordnet ist, zusätzlich verhindert.

Bevorzugt umfasst das Si-haltige Precursormaterial siliziumorganische Verbindungen. Durch die Verwendung siliziumorganischer Verbindungen als Si-haltiges Precursormaterial wird erfindungsgemäß eine Trennschicht hergestellt, die an ihrer der Substratoberfläche zugewandten Seite ein Siloxan-Netzwerk aufweist, das sehr gute Hafteigenschaften zeigt, und an der gegenüberliegenden Oberfläche organische Gruppen (z.B. an Siliziumatome gebundene Methylgruppen) aufweist, so dass sehr gute Trenneigenschaften resultieren.

Als siliziumorganische Verbindungen werden bevorzugt Siloxane verwendet, das heißt, dass das Si-haltige Precursormaterial bevorzugt aus einem oder mehreren Siloxanen besteht oder ein oder mehrere Siloxane umfasst. Insbesondere umfasst das Si-haltige Precursormaterial ein oder mehrere Siloxane, oder das Si-haltige Precursormaterial besteht aus ein oder mehreren Siloxanen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus HMDSO, Octamethyltrisiloxan und deren Mischungen.

Die Verwendung von Siloxanen als Si-haltiges Precursormaterial führt zu (permanenten) Trennschichten mit weiter verbesserten Eigenschaften, was im Folgenden am Beispiel von HMDSO erläutert wird.

Während der Plasmapolymerisation werden die Si-C-Bindungen von HMDSO teilweise gespalten, während die Si-O-Bindungen weitestgehend erhalten bleiben. Bei der Polymerisation auf der Substratoberfläche bildet sich an der Oberfläche der Trennschicht, die der Substratoberfläche zugeordnet ist, eine Siloxan-Grundschicht, die sehr gut an der Substratoberfläche haftet, und an der gegenü berliegenden Oberfläche der Trennschicht eine Schicht von Methylgruppen, die äußerst trennaktiv ist.

Bevorzugt wird der als weiteres Precursormaterial verwendete Sauerstoff dem Arbeitsgas beigemischt, wobei der Volumenanteil an Sauerstoff-Molekülen kleiner ist als 3 Prozent, bezogen auf das Gesamtvolumen des Arbeitsgas-Sauerstoff-Gemisches. Es ist weiter bevorzugt, dass dieser Anteil kleiner als 2 Prozent, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 1 Prozent ist. Es ist weiter bevorzugt, mit Durchflussraten von 15000 sccm Arbeitsgas und 150 sccm Sauerstoff zu arbeiten.

Es hat sich gezeigt, dass, wenn der Sauerstoff in den oben genannten Mengen dem Arbeitsgas beigemischt wird, das Verhältnis von Si-Atomen zu O-Atomen in der Trennschicht im Bereich von 0,7 bis 1,3 liegt. Dies führt, wie oben bereits ausgeführt, zu einer Trennschicht, die sowohl eine gute Haftung gegenüber der Substratoberfläche als auch gute Trenneigenschaften auf der der Substratoberfläche abgewandten Oberfläche aufweist.

Der Sauerstoff kann alternativ oder zusätzlich dem Gemisch aus Trägergas und Si-haltigem Precursormaterial beigemischt werden, oder das Trägergas selbst kann der als weiteres Precursormaterial eingesetzte Sauerstoff sein.

Die Trennschicht wird erfindungsgemäß bevorzugt als Entformungsschicht auf einer Substratoberfläche eines Formgebungswerkzeuges zum Ausformen eines Formteiles aufgebracht und so ausgebildet, dass sie stärker an der Substratoberfläche haftet als an einem Formteil, das insbesondere aus Kunststoff, bevorzugt aus Epoxid hergestellt ist. Die Substratoberfläche ist bevorzugt metallisch. Sie besteht bevorzugt aus Invarstahl (Ni-haltiges Eisen), Aluminium oder Edelstahl. Alternativ kann die Substratoberfläche die Oberfläche eines kohlenstofffaserverstärken Kunststoff-Laminats (CFK-Laminat) sein, die vorzugsweise oxidiert ist. Eine oxidierte Oberfläche eines CFK-Laminats wird bevorzugt hergestellt, indem diese Oberfläche mit einem Plasmastrahl überstrichen wird, dem kein Si-haltiges Precursormaterial zugeführt worden ist. Dadurch entstehen an der Oberfläche des CFK-Laminats aktive Spezies/Radikale, die sich mit Sauerstoff verbinden. Der Sauerstoff kann dabei beispielsweise dem Plasmastrahl zugeführt worden sein und/oder, nachdem der Plasmastrahl die Oberfläche bestrichen hat, aus der Umgebung an die Oberfläche gelangen. Die oxidierte Oberfläche des CFK-Laminats weist bevorzugt eine Oberflächenenergie von 50 mN/m auf. An der oxidierten Oberfläche des CFK-Laminats befinden sich sauerstoffhaltige Kohlenstoffverbindungen (C-O, C=O, COOH), die zu einer guten Haftung zwischen der Oberfläche des oxidierten CFK-Laminats und der abzuscheidenden Trennschicht führen.

Zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche durch Plasmapolymerisation bei Atmosphärendruck wird eine vorzugsweise erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, die aufweist:

– eine Arbeitsgasführungseinrichtung zum Führen eines strömenden Arbeitsgases durch eine Anregungszone,
– eine Energiezuführungseinrichtung zum Zuführen von Energie zu dem Arbeitsgas in der Anregungszone, um das Arbeitsgas in der Anregungszone zu einem Plasmastrahl anzuregen,
– eine Plasmastrahlführungseinrichtung, die so ausgestaltet ist, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung in einem Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung im Betrieb nicht an den Plasmastrahl gelangen kann, und die eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Si-haltigen Precursormaterials zu dem Plasmastrahl in einem Zuführbereich aufweist, wobei der Zuführbereich in einem Bereich der Plasmastrahlführungseinrichtung angeordnet ist, in dem der Plasmastrahl eine Temperatur aufweist, die eine Teilfragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials bewirkt.

Die Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Plasmadüse, die als Arbeitsgasführungseinrichtung ein Führungsrohr aufweist, durch das Arbeitsgas strömt, wobei an einem Eintrittsende des Führuhgsrohres das Arbeitsgas in das Führungsrohr eintritt. Das Führungsrohr weist innen bevorzugt einen langgestreckten Düsenkanal auf, dessen stromabwärts gewandtes Austrittsende bevorzugt konisch verjüngt ist. Die Führungseinrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass das Arbeitsgas helixartig um eine Längsachse des Düsenkanals innerhalb des Füh rungsrohres strömt, wodurch ein zeitlich stabil brennender Plasmastrahl erzeugt werden kann.

Die Vorrichtung weist des Weiteren als Energiezuführungseinrichtung bevorzugt eine Elektrodenanordnung auf, die so angeordnet ist, dass sie innerhalb des Führungsrohres in einer Anregungszone eine Entladung erzeugt, so dass das strömende Arbeitsgas in der Anregungszone zu einem Plasma angeregt wird. Durch die bevorzugte Verjüngung des Austrittsendes wird das Arbeitsgas stark beschleunigt, so dass die aktiven Komponenten des Plasmas, beispielsweise Radikale, Ionen, Elektronen, Photonen, aus dem Austrittsende austreten können. Die Entladung ist bevorzugt eine Bogenentladung. Als Ergebnis tritt aus dem Austrittsende ein Plasmastrahl aus.

Die Plasmastrahlführungseinrichtung ist bevorzugt ein Führungshohlzylinder, der an dem Austrittsende des Führungsrohres angeordnet ist. Der Führungshohlzylinder umgibt bevorzugt den Plasmastrahl und verhindert dadurch, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung an den Plasmastrahl gelangen kann. Des Weiteren ist die Plasmastrahlführungseinrichtung bevorzugt so angepasst, dass im Betrieb der Druck im Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung größer ist als der Umgebungsdruck, wodurch zusätzlich verhindert wird, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung im Abscheidungsbereich bzw. Austrittsbereich an den Plasmastrahl gelangen kann. Der bevorzugte Führungshohlzylinder weist als Zuführeinrichtung eine Zuführöffnung oder Zuführleitung auf, die bevorzugt radial im Führungshohlzylinder angeordnet ist und durch die das Si-haltige Precursormaterial zu dem Plasmastrahl in den Zuführbereich geführt werden kann, der bevorzugt innerhalb des bevorzugten Führungshohlzylinders angeordnet ist.

Bevorzugt ist die Plasmastrahlführungseinrichtung so ausgestaltet, dass das Si-haltige Precursormaterial nicht in einen Bereich gelangen kann, der stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist. Dazu umfasst die Plasmastrahlführungseinrichtung bevorzugt den Führungshohlzylinder, wobei insbesondere der Temperaturgradient des Plasmastrahls, das heißt die Temperaturabnahme mit zunehmender Entfernung von der Anregungszone, dazu führt, dass der Druck im Zuführbereich geringer ist als oberhalb des Zuführbereichs, wodurch verhindert wird, dass das Si-haltige Precursormaterial in einen Bereich gelangt, der strom aufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist. Zudem kann stromaufwärts von dem Zuführbereich eine Blende angeordnet sein, die ebenfalls ein Eindringen des Si-haltigen Precursormaterials in einem stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordneten Bereich verhindert.

Ein Bereich des Plasmastrahls, der zwischen der Anregungszone und dem Zuführbereich angeordnet ist, weist, wie oben bereits erwähnt, eine Temperatur auf, die höher ist als die Temperatur des Plasmastrahls im Zuführbereich. Eine Rückströmung des Si-haltigen Precursormaterials in Richtung der Anregungszone würde daher zu einem nicht optimalen Fragmentierungsgrad des Precursormaterials führen. Die bevorzugte Plasmastrahlführungseinrichtung verhindert eine derartige Rückströmung, so dass Trennschichten mit sehr guten Eigenschaften hergestellt werden können, das heißt Trennschichten, deren Oberfläche, die der Substratoberfläche zugewandt ist, gute Hafteigenschaften und deren gegenüberliegende Oberfläche gute Trenneigenschaften aufweist.

Die Vorrichtung wird bevorzugt während der erfindungsgemäßen Herstellung der plasmapolymeren Trennschicht über die Substratoberfläche bewegt, insbesondere mittels eines Roboterarms, um größere Substratoberflächen beschichten zu können. Alternativ kann die Vorrichtung auch ein Verschiebemittel, beispielsweise einen Verschiebetisch, aufweisen, mit dem die Substratoberfläche relativ zum Plasmastrahl bewegbar ist.

Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch eine Plasmastrahlführungseinrichtung zum Führen eines Plasmastrahls zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche gelöst, die so ausgestaltet ist, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung in einem Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung nicht an den Plasmastrahl gelangt.

Der Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung umfasst im Betrieb den Abscheidungsbereich des Plasmastrahls. Die Plasmastrahlführungseinrichtung verhindert daher ein Eindringen von Luftsauerstoff in den Abscheidungsbereich.

Wie oben bereits ausgeführt, stört der unkontrollierte Einfluss von Luftsauerstoff aus der Umgebung die Bildung der Trennschicht auf der Substratoberfläche. Mit der erfindungsgemäßen Plasmastrahlführungseinrichtung, die derartige störende Einflüsse unterbindet, können daher Trennschichten mit verbesserter Haftung und verbesserten Trenneigenschaften hergestellt werden.

Bevorzugt ist die Plasmastrahlführungseinrichtung so ausgestaltet, dass das Si-haltige Precursormaterial, das in einem Zuführbereich dem Plasmastrahl zugeführt wird, nicht in einen Bereich gelangt, der stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist. Wie oben bereits ausgeführt, umfasst eine derartige Plasmastrahlführungseinrichtung bevorzugt einen Führungshohlzylinder, der den Plasmastrahl umgibt und oben bereits näher beschrieben worden ist.

Die Plasmastrahlführungseinrichtung ist bevorzugt so angepasst, dass, wenn ein Plasmastrahl geführt wird, der Druck im Zuführbereich geringer ist als zumindest unmittelbar stromaufwärts von dem Zuführbereich und dass der Druck in einem Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung größer ist als der Umgebungsdruck.

Wie oben bereits ausgeführt, umfasst diese Plasmastrahlführungseinrichtung bevorzugt einen Führungshohlzylinder, insbesondere einen Führungshohlzylinder aus Aluminium, der den Plasmastrahl umgibt. In diesem Führungshohlzylinder ist bevorzugt eine Zuführöffnung oder eine Zuführleitung angeordnet, durch die das Si-haltige Precursormaterial in den Führungshohlzylinder und in den Zuführbereich geführt werden kann. Aufgrund des Temperaturgradienten des Plasmastrahls, das heißt, aufgrund der Temperaturabnahme mit zunehmender Entfernung von der Anregungszone, ist der Druck im Zuführbereich geringer als stromaufwärts des Zuführbereichs, wodurch verhindert wird, dass das Si-haltige Precursormaterial in einen Bereich gelangen kann, der oberhalb des Zuführbereichs angeordnet ist. Des Weiteren ist bei einem derartigen Führungshohlzylinder der Druck am stromabwärtigen Ende des Führungshohlzylinders größer als der Umgebungsdruck, wodurch verhindert wird, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung im Austrittsbereich an den Plasmastrahl gelangen kann. Wenn zudem eine derartige Plasmastrahlführungseinrichtung zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche verwendet wird, ist der Druck zwischen dem stromabwärtigen Ende des Führungshohlzylinders und der Substratoberfläche, das heißt, im Abscheidungsbereich, größer als der Umgebungsdruck. Dieser Druckunterschied ist um so größer, je kleiner der Abstand zwischen dem stromabwärtigen Ende des Führungshohlzylinders und der Substratoberfläche ist. Dieser Abstand beträgt daher bevorzugt maximal 6 mm, weiter bevorzugt maximal 4 mm und weiter bevorzugt maximal 2 mm.

Wie oben bereits ausgeführt, ist es weiter bevorzugt, dass die Plasmastrahlführungseinrichtung einen Führungshohlzylinder zum Führen des Plasmastrahls und eine in dessen Wandung am stromabwärtigen Ende angeordnete Zuführöffnung zum Zuführen eines Si-haltigen Precursormaterials aufweist. Die erfindungsgemäße Plasmastrahlführungseinrichtung kann zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche zusammen mit einem beliebigen Plasmastrahlerzeuger verwendet werden. Beispielsweise kann als Plasmastrahlerzeuger die in EP 1 203 414 B1 beschriebene Plasmadüse oder jede andere kommerziell erhältliche Plasmadüse verwendet werden.

Eine erfindungsgemäße Substratoberfläche mit einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten plasmapolymeren Trennschicht, weist sehr gute Trenneigenschaften auf. Zugleich haftet die Trennschicht an der Substratoberfläche sehr gut. Bevorzugt weist die Trennschicht an ihrer der Substratoberfläche zugewandten Grenzfläche, ein anorganisches Netz, das gut beispielsweise an Metalloberflächen haftet, und an der gegenüberliegenden Oberfläche Methylgruppen auf, die gute Trenneigenschaften, beispielsweise bezüglich Kunststoffen zeigen.

Die erfindungsgemäße Substratoberfläche mit Trennschicht ist damit im Vergleich zu Substratoberflächen von aus dem Stand der Technik bekannten Formgebungswerkzeugen, beispielsweise aus der eingangs genannten EP 1 301 286 , leichter und damit kostengünstiger herstellbar, da (i) keine Niederdruckbedingungen erzeugt werden müssen, das heißt, es wird beispielsweise keine Vakuumkammer benötigt, und (ii) die Polymerisationsbedingungen nicht zeitlich variiert werden müssen.

Bevorzugt sind an der Trennschichtoberfläche, die der Substratoberfläche abgewandt ist, keine stark wechselwirkenden oder reaktiven Gruppen angeordnet. Nicht stark wechselwirkende Gruppen und nicht stark reaktive Gruppen sind Gruppen, die gegenüber Objekten, die auf dieser Trennschichtoberfläche angeordnet werden können, keine ausgeprägten Hafteigenschaften aufweisen. Nicht stark wechselwirkende Gruppen oder nicht stark reaktive Gruppen liegen insbesondere vor, wenn sie bezüglich Kunststoffen keine ausgeprägten Hafteigenschaften aufweisen. Nicht stark wechselwirkende bzw. reaktive Gruppen sind insbesondere CH₃-Gruppen. Bevorzugt weist diese Trennschichtoberfläche daher einen hohen Anteil an CH₃-Gruppen auf.

Bevorzugt weist die auf der Substratoberfläche angeordnete plasmapolymere Trennschicht neben Wasserstoff folgende Elemente in folgenden Mengen auf:

– 45–55 Atom-% Kohlenstoff
– 20–30 Atom-% Sauerstoff
– 20–30 Atom-% Silizium
– 0–5 Atom-% Stickstoff,

bezogen auf die Gesamtmenge an Atomen ohne Wasserstoff.

Das Atom-Verhältnis Si : C in der Trennschicht ist vorzugsweise größer oder gleich 1 : 2.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Trennschichten, die eine derartige Zusammensetzung haben, sehr gute Haft- und Trenneigenschaften aufweisen. Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine Substratoberfläche mit einer Trennschicht, die neben Wasserstoff folgende Elemente in folgenden Mengen aufweist, besonders gute Haft- und Trenneigenschaften zeigt:

– 47.2 Atom-% Kohlenstoff
– 28.7 Atom-% Sauerstoff
– 24.0 Atom-% Silizium
– 2.1 Atom-% Stickstoff,

bezogen auf die Gesamtmenge an Atomen ohne Wasserstoff.

Ein Formgebungswerkzeug zum Ausformen eines Formteils, welches eine auf erfindungsgemäße Weise herstellbare Substratoberfläche mit einer plasmapolymeren Trennschicht besitzt, ermöglicht ein leichtes, zerstörungsfreies Entnehmen eines Formteils, nachdem es in dem Formgebungswerkzeug ausgeformt worden ist. Zudem verbleiben keine Rückstände der Trennschicht auf der Oberfläche des Formteils, da die Trennschicht permanent auf der Substratoberfläche des Formteils haftet, so dass eine Weiterverarbeitung der Oberfläche des Formteils, beispielsweise durch Kaschieren, Lackieren, Metallisieren etc., ohne vorherigen Säuberungsvorgang möglich ist. Das erfindungsgemäße Formgebungswerkzeug ermöglicht daher eine schnelle und damit kostengünstige Ausformung von Formteilen. Zudem ist ein derartiges Formgebungswerkzeug im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Formgebungswerkzeugen, beispielsweise im Vergleich zu aus der eingangs genannten EP 1 301 286 bekannten Formgebungswerkzeugen, leichter und damit kostengünstiger herstellbar, da keine Niederdruckbedingungen erzeugt werden müssen, das heißt, es wird beispielsweise keine Vakuumkammer benötigt, und die Polymerisationsbedingungen nicht zeitlich variiert werden müssen.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele, unter anderem anhand der Zeichnung, näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche durch Plasmapolymerisation mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Plasmastrahlführungseinrichtung.
2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Plasmastrahlführungseinrichtung.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Plasmastrahlführungseinrichtung.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche 2 durch Plasmapolymerisation bei Atmosphärendruck. Diese Vorrichtung 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Plasmadüse 17 mit einer Plasmastrahlführungseinrichtung 15.
Die Plasmadüse 17 weist als Arbeitsgasführungseinrichtung ein Führungsrohr 3 auf, in das Arbeitsgas strömt, wobei an einem Eintrittsende 4 des Führungsrohres 3 das Arbeitsgas durch eine Arbeitsgaszuführung 23, insbesondere durch ein Arbeitsgasrohr oder durch einen Arbeitsgasschlauch, in das Führungsrohr 3 eintritt. Als Arbeitsgas wird bevorzugt Stickstoff verwendet, dem bevorzugt Sauerstoff als weiteres Precursormaterial beigemischt wird. Das Führungsrohr 3 weist innen einen langgestreckten Düsenkanal 5 auf, dessen stromabwärts (Pfeilrichtung 6 in 1) liegendes Austrittsende 7, insbesondere konisch, verjüngt ist. Das Führungsrohr 3 weist Bohrungen 30 auf, durch die das Arbeitsgas hindurch strömt und die so ausgebildet sind, dass das Arbeitsgas helixartig um die Längsachse 8 des Düsenkanals 5 innerhalb des Führungsrohres 3 strömt, wodurch die zeitliche Stabilität eines brennenden Plasmastrahls 9, dessen Erzeugung unten näher erläutert wird, verbessert werden kann. Eine helixartige Strömung des Arbeitsgases kann beispielsweise erreicht werden, indem das Arbeitsgas durch die Bohrungen 30 im Wesentlichen tangential zum Umfang des Führungsrohres 3 eingeleitet wird.
Die Plasmadüse 1 weist des Weiteren als Energiezuführungseinrichtung eine Elektrode 19 auf, die so angeordnet ist, dass sie innerhalb des Führungsrohres 3 eine Entladung so erzeugt, dass das strömende Arbeitsgas in einer Anregungszone 10 zu einem Plasmastrahl 9 angeregt wird. Die Anregungszone 10 ist in 1 gleich dem Bereich, den der Plasmastrahl 9 innerhalb des Führungsrohres 3 einnimmt. Die Elektrode 19 ist mit der Hochspannungszuführung 21 verbunden. Durch die bevorzugte Verjüngung des Austrittsendes 7 wird das Arbeitsgas stark beschleunigt, so dass die aktiven Komponenten des Plasmastrahls 9, beispielsweise Radikale, Ionen, Elektronen, Photonen, aus dem Austrittsende 7 austreten können. Als Ergebnis tritt aus dem Austrittsende 7 der Plasmadüse 17 ein Plasmastrahl 9 aus.
Die Entladung ist bevorzugt eine Bogenentladung. Die mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators erzeugte Spannung liegt in der Größenordnung von einigen kV, beträgt insbesondere 5 bis 15 kV, und hat bevorzugt eine Frequenz in der Größenordnung von 20 kHz. Das Führungsrohr 3 ist metallisch und geerdet und dient als Gegenelektrode, so dass eine Entladung zwischen der Elektrode 19 und dem Führungsrohr 3 erzeugt werden kann.
Als Plasmastrahlerzeuger kann jede beliebige Plasmadüse zusammen mit der erfindungsgemäßen Plasmastrahlführungseinrichtung verwendet werden. Insbesondere können die in EP 1 230 414 beschriebenen Plasmadüsen zusammen mit der erfindungsgemäßen Plasmastrahlführungseinrichtung verwendet werden. Für eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Plasmadüsen wird daher auf EP 1 230 414 verwiesen.
An dem stromabwärtigen Ende des Führungsrohres 3 ist eine Plasmastrahlführungseinrichtung 15 lösbar befestigt. Die Plasmastrahlführungseinrichtung 15 umfasst einen Führungshohlzylinder 18, der koaxial zu dem Führungsrohr 3 so angeordnet ist, dass der Führungshohlzylinder 18 den aus dem Führungsrohr 3 austretenden Plasmastrahl 9 umgibt. Der Führungshohlzylinder 18 ist bevorzugt aus Aluminium gebildet und weist am stromabwärtigen Ende eine Zuführeinrichtung auf. Die Zuführeinrichtung ist eine Zuführöffnung 12 oder Zuführleitung, die radial den Führungshohlzylinder durchsetzt. Die Zuführöffnung führt ein Gemisch aus Si-haltigem Precursormaterial und Trägergas in den Zuführbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung 15. Als Trägergas wird bevorzugt Stickstoff verwendet. Das Si-haltige Precursormaterial umfasst bevorzugt Si-organische Verbindungen oder besteht aus diesen. Insbesondere wird bevorzugt HMDSO als Si-haltiges Precursormaterial verwendet.
Durch die Zuführöffnung 12 wird das Gemisch aus Trägergas und Si-haltigem Precursormaterial in einem Zuführbereich 11 zum Plasmastrahl 9 geführt. Der Zuführbereich ist bevorzugt soweit von der Anregungszone 10 entfernt, dass im Zuführbereich der Plasmastrahl 9 eine Temperatur aufweist, die ausreichend ist, um eine Teilfragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials zu erzeugen. Bei der hier beschriebenen Plasmadüse 17 entsteht in der Anregungszone 10 eine Temperatur von bis zu 1500°C. Eine derartig hohe Temperatur würde bei den bevorzugten Precursormaterialien HMDSO und/oder Octamethyltrisiloxan nicht zu einer Teilfragmentierung, sondern zu einer vollständigen Fragmentierung führen. Die Entfernung des Zuführbereichs 11 zu der Anregungszone 10 wird bevorzugt so gewählt, dass im Zuführbereich 11 eine Temperatur von 220 bis 340°C vorliegt.
Der Bereich des Plasmastrahls 9, der zwischen der Anregungszone 10 und dem Zuführbereich 11 angeordnet ist, weist eine Temperatur auf, die höher ist, als die Temperatur des Plasmastrahls 9 im Zuführbereich 11. Eine Rückströmung des Si-haltigen Precursormaterials in Richtung der Anregungszone 10 würde daher zu einem zu hohen Fragmentierungsgrad des Si-haltigen Precursormaterials führen. Die Plasmastrahlführungseinrichtung 15 verhindert eine derartige Rückströmung, so dass, Trennschichten mit sehr guten Trenneigenschaften hergestellt werden können, das heißt Trennschichten, deren Oberfläche, die dem Substrat zugewandt ist, gute Hafteigenschaften und deren gegenüberliegende Oberfläche gute Trenneigenschaften, insbesondere gegenüber Kunststoffen, aufweist.
Die Plasmastrahlführungseinrichtung 15 verhindert das Eindringen des Si-haltigen Precursormaterials in einen Bereich, der oberhalb von dem Zuführbereich 11 angeordnet ist, dadurch, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Zuführbereich 11 und dem Bereich erzeugt wird, der oberhalb des Zuführbereichs 11 angeordnet ist. Diese Druckdifferenz wird insbesondere durch den Temperaturgradienten im Plasmastrahl erreicht. Der Druck an einer Position innerhalb der Plasmastrahlführungseinrichtung 15 ist von der an der jeweiligen Position vorhandenen Temperatur abhängig. Der Druck nimmt innerhalb der Plasmastrahlführungseinrichtung 15 mit zunehmender Temperatur zu. Da die Temperatur oberhalb des Zuführbereichs höher ist als die Temperatur im Zuführbereich 11, ist der Druck in einem Bereich, der stromaufwärts von dem Zuführbereich 11 anordnet ist, größer als im Zuführbereich 11 selbst. Diese Druckdifferenz trägt zur Verhinderung des Eindringens von Si-haltigem Precursormaterial in einen Bereich bei, der oberhalb des Zuführbereichs 11 angeordnet ist.
Die Vorrichtung 1 wird mittels eines schematisch in 1 dargestellten Bewegungsarms 14, bevorzugt automatisch rechnergesteuert, über die Substratober fläche 2 geführt, so dass der Plasmastrahl 9 mit dem teilfragmentierten Si-haltigen Precursormaterial und dem als weiteres Precursormaterial dem Arbeitsgas beigemischten Sauerstoff auf die Substratoberfläche 2 trifft und einen gewünschten Bereich der Substratoberfläche 2 überstreicht, um diesen Bereich mit einer Trennschicht zu beschichten. Beim Auftreffen des Plasmastrahls 9 auf die Substratoberfläche 2 umfasst der Plasmastrahl 9 Sauerstoff und Molekülfragmente des Si-haltigen Precursormaterials, die auf der Substratoberfläche 2 zu einer Trennschicht polymerisieren.
Alternativ kann die Substratoberfläche 2 durch ein Verschiebemittel, wie einen Roboterarm oder einen beweglichen Tisch, auf dem das Substrat lagert, relativ zur ortsfest gehaltenen Plasmadüse 17 bewegt werden.
In 2 ist die Plasmastrahlführungseinrichtung 15 aus 1 getrennt von der Plasmadüse 17 dargestellt. Die Plasmastrahlführungseinrichtung 15 weist einen Führungshohlzylinder 18 auf, insbesondere einen Führungshohlzylinder aus Aluminium. Zur Aufnahme des stromabwärtigen Endes der Plasmadüse 17 ist der Innendurchmesser des Führungshohlzylinders 18 an einem Ende so gewählt, dass er eine Aufnahme 16 für das stromabwärtige Ende der Plasmadüse 17 bildet. Der Führungshohlzylinder 18 kann mittels der Aufnahme 16 an der Plasmadüse 17 lösbar befestigt werden, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung. Der Führungshohlzylinder 18 weist an seinem gegebenüberliegenden Ende eine Zuführöffnung 12 zum Zuführen eines Si-haltigen Precursormaterials in den Innenbereich des Führungshohlzylinders 18, insbesondere in den Zuführbereich, auf. Der Führungshohlzylinder 18 weist einen Innendurchmesser vom 5 mm und einen Außendurchmesser von 4 cm auf. Im Betrieb führt auch die Arbeitsgasströmung dazu, dass der Druck im Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung größer ist als der Umgebungsdruck. Diese Druckdifferenz wird durch den Strömungswiderstand erhöht, der durch den Spalt zwischen dem Austrittsende des Führungshohlzylinders und der Substratoberfläche erzeugt wird. Der Strömungswiderstand ist um so größer, je länger und schmaler dieser Spalt ist. Der Abstand zwischen dem Austrittsende des Führungshohlzylinders und der Substratoberfläche beträgt daher bevorzugt 2 mm bis 6 mm.
3 zeigt eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Plasmastrahlführungseinrichtung. Die Plasmastrahlführungseinrichtung 21 weist einen Führungshohlzylinder 25, insbesondere einen Führungshohlzylinder aus Aluminium, auf. Der Führungshohlzylinder 25 umfasst eine Aufnahme 23, die so dimensioniert ist, dass sie das stromabwärtige Ende der Plasmadüse 17 aufnehmen kann. Mittels dieser Aufnahme 23 ist die Plasmastrahlführungseinrichtung 21 lösbar an der Plasmadüse 17 befestigbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung. An dem gegenüberliegenden Ende des Führungshohlzylinder 25 ist eine Zuführöffnung 27 zum Zuführen des Si-haltigen Precursormaterials in einen Zuführbereich 11 angeordnet. Stromaufwärts von dem Zuführbereich 11 bzw. von der Zuführöffnung 27 ist eine Blende 31 innerhalb des Führungshohlzylinders 25 angeordnet, um ein Eindringen des Si-haltigen Precursormaterials in einen Bereich, der stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist, nicht nur aufgrund der bestehenden Druckdifferenz sondern auch durch die Blende 31 zu verhindern. Der Führungshohlzylinder 25 weist einen Innendurchmesser im Bereich von 10 mm bis 12 mm auf. Der Außendurchmesser beträgt 4 cm.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Trennschicht auf einer Substratoberfläche beschrieben, bei dem ein Plasmapolymer eines Precursormaterialgemisches aus Si-haltigem Precursormaterial und Sauerstoff als weiteres Precursormaterial auf der Substratoberfläche bei Atmosphärendruck unter zeitlich konstanten Polymerisationsbedingungen hergestellt wird.
Ein Arbeitsgas, insbesondere Stickstoff, wird durch das Führungsrohr 3 geführt, wobei es im Bereich des Eintrittsendes 4 durch die Arbeitsgaszuführung 23 in das Führungsrohr 3 eintritt. Das Arbeitsgas wird mittels des Führungsrohrs 3 so geführt, dass es durch die Anregungszone 10 und den Zuführbereich 11 strömt und schließlich auf die Substratoberfläche 2 trifft. Das Arbeitsgas wird zudem so geführt, beispielsweise indem es im Wesentlichen tangential zum Umfang des Führungsrohres 3 durch die Öffnung 30 eingeleitet wird, dass es helixartig um die Längsachse 8 des Führungsrohres 3 strömt.
Dem Arbeitsgas wird in der Anregungszone 10 mittels Elektroden Energie zugeführt, um das Arbeitsgas zu einem Plasmastrahl 9 anzuregen. Dazu wird eine Entladung in der Anregungszone 10 erzeugt, beispielsweise indem, wie oben beschrieben, eine Elektrode 19 und das Führungsrohr 3 als Gegenelektrode verwendet werden und an diese Elektroden eine Wechselspannung von 10 bis 15 kV in der Größenordnung von 20 kHz angelegt wird. Durch die entstehende Entladung wird das Arbeitsgas beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 1500°C zu einem Plasmastrahl angeregt.
In dem Zuführbereich 11 wird dem Plasmastrahl 9 das Si-haltige Precursormaterial mittels einer Zuführöffnung 12 zugeführt. Das Si-haltige Precursormaterial umfasst bevorzugt siliziumorganische Verbindungen oder besteht aus diesen. Als siliziumorganische Verbindung werden bevorzugt ein oder mehrere Siloxane verwendet. Insbesondere umfasst das Precursormaterial bevorzugt HMDSO und/oder Octamethyltrisiloxan oder besteht aus HMDSO und/oder Octamethyltrisiloxan.
Das Si-haltige Precursormaterial bildet zusammen mit einem Trägergas ein Gemisch, das durch die Zuführöffnung 12 in dem Zuführbereich 11 zu dem Plasmastrahl 9 geführt wird. Das Trägergas ist bevorzugt Stickstoff. Der Zuführbereich 11 ist bevorzugt soweit von der Anregungszone 10 entfernt, dass im Zuführbereich 11 der Plasmastrahl 9 eine Temperatur aufweist, die ausreichend ist, um das Si-haltige Precursormaterial zum Teil zu fragmentieren. Bei der hier beschriebenen Plasmadüse 17 entsteht in der Anregungszone 10 eine Temperatur von bis zu 1500°C. Eine derartig hohe Temperatur würde bei den bevorzugten Precursormaterialien HMDSO und Octamethyltrisiloxan zu einer vollständigen Fragmentierung führen. Die Entfernung des Zuführbereichs 11 zu der Anregungszone 10 wird bevorzugt so gewählt, dass im Zuführbereich 11 eine Temperatur von 260 bis 300°C vorhanden ist.
Um eine Teilfragmentierung zu erreichen, wird ein Eindringen des Si-haltigen Precursormaterials in einen Bereich des Plasmastrahls 9, der stromaufwärts von dem Zuführbereich 11 angeordnet ist, unterbunden. Dies wird durch die Verwendung der oben beschriebenen Plasmastrahlführungseinrichtung 15 erreicht. Alternativ könnte auch die Plasmastrahlführungseinrichtung 21 verwendet werden.
Die Plasmadüse 17 mit der Plasmastrahlführungseinrichtung 15 wird bevorzugt automatisch rechnergesteuert über die Substratoberfläche 2 so geführt, dass der Plasmastrahl 9 mit dem Precursormaterial aus dem teilfragmentierten Si-haltigen Precursormaterial und dem Sauerstoff als weiteres Precursormaterial auf die Substratoberfläche 2 trifft und einen gewünschten Bereich der Substratoberfläche 2 überstreicht, um diesen Bereich mit einer Trennschicht zu beschichten.
Beim Auftreffen des Plasmastrahls 9 auf die Substratoberfläche 2 umfasst der Plasmastrahl 9 ionisierte/fragmentierte/angeregte Precursormoleküle, die auf der Substratoberfläche 2 gemeinsam mit Sauerstoffatomen zu einer Trennschicht polymerisieren. Die Molekülfragmente sind beispielsweise Fragmente von HMDSO, bei denen die Si-C-Bindungen zum Teil gespalten wurden und die Si-O-Bindungen noch erhalten sind. Die Molekülfragmente polymerisieren zu einer Trennschicht, wobei sich an der Oberfläche der Trennschicht, die der Substratoberfläche zugewandt ist, eine gut haftende Siloxan-Grundschicht ausbildet, während sich an der gegenüberliegenden Oberfläche der Trennschicht eine große Zahl von Methylgruppen befinden.
Ein unkontrollierter Einfluss von Luftsauerstoff und Luftfeuchtigkeit stört die Herstellung von Trennschichten. Durch die Verwendung der Plasmastrahlführungseinrichtung 15 oder alternativ der Plasmastrahlführungseinrichtung 21 wird im Austrittsbereich und insbesondere zwischen dem stromabwärtigen Ende der Plasmastrahlführungseinrichtung 15, 21 und der Substratoberfläche 2 ein Druck erzeugt, der größer ist als der Umgebungsdruck, wodurch ein Kontakt zwischen Luftsauerstoff und dem Plasmastrahl verhindert wird. Insbesondere verhindert die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases am Austritt aus der Plasmastrahlführungseinrichtung und am Ort der Beschichtung einen Kontakt zwischen dem Luftsauerstoff und dem Plasmastrahl.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Atmosphärendruck durchgeführt. Es wird daher keine Vakuumkammer benötigt, was die Herstellung derartiger Trennschichten stark vereinfacht und Kosten einspart. Des Weiteren werden die Polymerisationsbedingungen nicht zeitlich variiert, das heißt, während der Polymerisation werden beispielsweise die Durchflussrate des Arbeitsgases, der Druck, die zugeführte Energiemenge, die Precursormaterialzuführrate, die Verfahrge schwindigkeit, mit der die Substratoberfläche von dem Plasmastrahl überstrichen wird, der Abstand zwischen dem Austrittsende der Plasmastrahlführungseinrichtung und der Substratoberfläche etc. nicht variiert, wodurch die Verfahrensdurchführung und der benötigte apparative Aufwand im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik erleichtert werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das sich bildende Plasmapolymer auf der Substratoberfläche thermisch behandelt. Das heißt, während der Plasmapolymerisation wird die Substratoberfläche aufgeheizt, um eine thermische Behandlung (Temperung) zu bewirken. Die Temperatur der aufgeheizten Substratoberfläche beträgt dabei bevorzugt weniger als 100°C, weiter bevorzugt zwischen 40°C und 60°C.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die thermische Behandlung nachdem die Plasmapolymerisation abgeschlossen ist. Bevorzugt wird die abgeschiedene Schicht nach der Abscheidung bei Atmosphärendruck in Luft bei einer Temperatur von 150°C über bevorzugt maximal zwei Stunden, weiter bevorzugt maximal eine oder genau eine Stunde und weiter bevorzugt 10 Minuten nachbehandelt. Auch eine derartige thermische Behandlung bewirkt eine Verbesserung der Eigenschaften der Trennschicht, das heißt, sowohl die Haftung als auch die Trenneigenschaft werden verbessert. Zusätzlich kann auch schon während der Plasmapolymerisation, wie oben beschrieben, die sich bildende Trennschicht thermisch behandelt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass die thermische Behandlung des sich abscheidenden bzw. bereits abgeschiedenen Polymers die chemische und mechanische Stabilität und auch die Trennwirkung weiter verbessert. Eine thermisch behandelte Trennschicht verbessert die Haftung auf der Substratoberfläche, und ein auf der von der Substratoberfläche abgewandten Oberfläche der Trennschicht angeordnetes Objekt, beispielsweise ein ausgeformtes Kunststoff-Formteil, insbesondere ein Epoxid-Formteil, kann leichter von der Trennschicht entfernt werden.
Wie oben bereits erwähnt, wird bei der Plasmapolymerisation bevorzugt Sauerstoffgas als weiteres Precursormaterial oder sauerstoffhaltiges Gas eingesetzt.
Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas wird bevorzugt eingesetzt, indem es dem Arbeitsgas als weiteres Precursormaterial beigemischt wird. Das Mischungsverhältnis wird dabei bevorzugt so gewählt, dass das Verhältnis von Si-Atomen zu O-Atomen in der Trennschicht im Bereich von 0,7 bis 1,3 liegt. Um dieses Verhältnis zu erreichen, beträgt der Volumenanteil an Sauerstoff-Molekülen, der pro Zeiteinheit durch die Plasmadüse 17 und die Plasmastrahlführungseinrichtung 15 strömt, weniger als 3 Prozent, bevorzugt weniger als 2, weiter bevorzugt weniger als oder gleich 1 Prozent, bezogen auf das pro Zeiteinheit durch die Plasmadüse 17 und die Plasmastrahlführungseinrichtung 15 strömende Gesamtvolumen des Arbeitsgas-Sauerstoff-Gemisches.
Die Trennschicht weist eine hohe Schichthärte bzw. Abreißstabilität auf, die durch eine hohe dreidimensionale Vernetzung innerhalb der Trennschicht erreicht wird.
Die Substratoberfläche weist eine Trennschicht auf, an deren Trennschichtoberfläche, die der Substratoberfläche abgewandt ist, keine stark wechselwirkenden oder reaktiven Gruppen angeordnet sind und die bevorzugt eine der oben genannten Zusammensetzungen aufweist. Es hat sich gezeigt, dass Substratoberflächen, deren Trennschicht eine derartige Zusammensetzung haben, sehr gute Haft- und Trenneigenschaften aufweisen.
Die Trennschicht wird bevorzugt auf einer Substratoberfläche eines Formgebungswerkzeuges aufgetragen. Ein Formgebungswerkzeug wird zum Ausformen von Formteilen verwendet. Dazu wird Formmaterial bevorzugt aus einem Kunststoff, insbesondere aus Epoxid, in das Formgebungswerkzeug eingegeben, dass ein Negativ des auszuformenden Formteils darstellt. Nach dem Ausformen wird das ausgeformte Formteil dem Formgebungswerkzeug entnommen. Da das Formteil auf der Trennschicht des Formgebungswerkzeugs ausgeformt worden ist, lässt sich das Formteil leicht dem Formgebungswerkzeug entnehmen, ohne dass Rückstände der Trennschicht auf der Oberfläche des Formteils verbleiben. Zudem verbleibt die Trennschicht auf der Substratoberfläche.
Beispiel 1:
Mit der oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Vorrichtung 1 zum Herstellen einer Trennschicht wurde eine Invarstahl-Substratoberfläche (DIN 1.3912) bei Atmosphärendruck mit einer Trennschicht mittels Plasmapolymerisation beschichtet, wobei die im Folgenden genannten Polymerisationsbedingungen konstant gehalten wurden.
Als Arbeitsgas wurde Stickstoff verwendet, dass mit einer Durchflussrate von 18 l/min in das Führungsrohr 3 eingeleitet wurde. In der Anregungszone 10 wurde Arbeitsgas durch eine Bogenentladung mit einer Plasmaleistung von 400 W zu einem Plasmastrahl 9 angeregt. Die Plasmaleistung ist hier definiert als das Produkt aus dem zeitlich gemittelten Entladungsstrom und der gemittelten Entladungsspannung.
Der Plasmastrahl 9 durchläuft die Plasmadüse 17 und den Zuführbereich 11 der Plasmastrahlführungseinrichtung 15, wo ein Gemisch aus Stickstoff als Trägergas und HMDSO durch den Zuführstutzen 12 dem Plasmastrahl 9 zugeführt wurde. Die Zuführrate betrug für das Trägergas 3 l/min und für HMDSO 4 g/min. Das Precursormaterial HMDSO wurde im Plasmastrahl 9 so teilfragmentiert, dass nur ein Teil der Si-C-Bindungen gespalten wurden und im Wesentlichen nicht die Si-O-Bindungen. Die Substratoberfläche 2 wurde mittels eines beweglichen Tisches relativ zur Plasmadüse 1 bewegt, um einen größeren Bereich der Substratoberfläche 2 zu beschichten. Alternativ könnte auch die Plasmadüse 1 mittels des Roboterarms 14 über die Substratoberfläche 2 geführt werden. Der Abstand zwischen dem stromabwärtigen Ende der Plasmastrahlführungseinrichtung 15 und der Substratoberfläche 2 betrug 4 mm. Die Verfahrgeschwindigkeit betrug 20 m/min. Es wurde ein halber Zyklus gefahren, das heißt der Plasmastrahl 9 hat die Substratoberfläche 2 nur einmal überstrichen.
Nach der Abscheidung der Trennschicht auf der Substratoberfläche wurde die Schicht für 2 Stunden bei einer Temperatur von 150°C in Luft bei Atmosphärendruck getempert, das heißt thermisch behandelt.
Die Trennschicht wurde mit einer ESCA-Messung untersucht, wobei sich folgende Zusammensetzung ergab:

– C 47.2 Atom-%

– O 28.7 Atom-%

– Si 24.0 Atom-%

– N 2.1 Atom-%,

bezogen auf die Gesamtmenge an Atomen ohne Wasserstoff. Wasserstoff ist mit einer ESCA-Untersuchung nicht bestimmbar. Der Wasserstoffanteil der Trennschicht war daher nicht ermittelbar. Der Stickstoffanteil stammt vermutlich aus dem Arbeitsgas.
Die Oberflächenenergie der Trennschicht ist kleiner als 24 mN/m.
Es hat sich gezeigt, dass die metallische Substratoberfläche mit dieser Trennschicht bezüglich Epoxidharz sehr gute Trenneigenschaften aufweist. Zudem hat sich gezeigt, dass die Trennschicht, wenn sie auf einer Oberfläche eines Formgebungswerkzeugs aufgebracht ist, auch nach mehrmaligem Ausformen von Epoxidharz-Formteilen auf der Oberfläche des Formgebungswerkzeugs verbleibt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche, wobei ein Plasmapolymer auf der Substratoberfläche bei Atmosphärendruck unter zeitlich konstanten Polymerisationsbedingungen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Plasmapolymerisation ein Si-haltiges Precursormaterial und zusätzlich als weiteres Precursormaterial Sauerstoff eingesetzt werden, wobei die Menge an zusätzlich eingesetztem Sauerstoff so gewählt wird, dass das Verhältnis von Si-Atomen zu O-Atomen in der Trennschicht im Bereich von 0,7 bis 1,3 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sich bildende und/oder gebildete Plasmapolymer so behandelt wird, dass reaktive Gruppen auf der Oberfläche der Trennschicht, die der Substratoberfläche abgewandt ist, abgebaut werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Substratoberfläche sich bildende und/oder gebildete Plasmapolymer thermisch behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Führen eines Arbeitsgases durch eine Anregungszone, – Zuführen von Energie zu dem Arbeitsgas in der Anregungszone, um das Arbeitsgas zu einem Plasmastrahl anzuregen, – Zuführen des Si-haltigen Precursormaterials zu dem Plasmastrahl in einem Zuführbereich, wobei der Zuführbereich in einem Bereich des Plasmastrahls angeordnet ist, in dem der Plasmastrahl eine Temperatur aufweist, die eine Teilfragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials bewirkt, – Führen des Plasmastrahls über die Substratoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführbereich stromabwärts von der Anregungszone angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl so geführt wird, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung nicht in einen Abscheidungsbereich des Plasmastrahls gelangt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl so geführt wird, dass das Si-haltige Precursormaterial nicht in einen Bereich gelangt, der stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Si-haltige Precursormaterial siliziumorganische Verbindungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Si-haltige Precursormaterial aus einem oder mehreren Siloxanen besteht oder ein oder mehrere Siloxane umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Si-haltige Precursormaterial ein oder mehrere Siloxane umfasst oder aus ein oder mehreren Siloxanen besteht, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Octamethyltrisiloxan und deren Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der als weiteres Precursormaterial verwendete Sauerstoff dem Arbeitsgas beigemischt wird, wobei der Volumenanteil an Sauerstoff-Molekülen kleiner ist als 3 Prozent, bezogen auf das Gesamtvolumen des verwendeten Arbeitsgas-Sauerstoff-Gemisches.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmapolymere Trennschicht als Entformungsschicht auf einer Substratoberfläche eines Formgebungswerkzeuges zum Ausformen eines Formteils aufgebracht wird und die Trennschicht so ausgebildet wird, dass sie stärker an der Substratoberfläche haftet als an dem Formteil.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht so ausgebildet wird, dass sie stärker an der Substratoberfläche haftet als an einem Formteil aus Kunststoff.
Vorrichtung zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche durch Plasmapolymerisation bei Atmosphärendruck zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit: – einer Arbeitsgasführungseinrichtung zum Führen eines strömenden Arbeitsgases durch eine Anregungszone, – einer Energiezuführungseinrichtung zum Zuführen von Energie zu dem Arbeitsgas in der Anregungszone, um das Arbeitsgas in der Anregungszone zu einem Plasmastrahl anzuregen, – einer Plasmastrahlführungseinrichtung zum Führen des Plasmastrahls, die so ausgestaltet ist, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung in einem Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung im Betrieb nicht an den Plasmastrahl gelangen kann, und die eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Si-haltigen Precursormaterials zu dem Plasmastrahl in einem Zuführbereich aufweist, wobei der Zuführbereich in einem Bereich der Plasmastrahlführungseinrichtung angeordnet ist, in dem der Plasmastrahl im Betrieb eine Temperatur aufweist, die eine Teilfragmentierung des Si-haltigen Precursormaterials bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlführungseinrichtung so angepasst ist, dass das Si-haltige Precursormaterial nicht in einen Bereich gelangt, der stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist.
Plasmastrahlführungseinrichtung zum Führen eines Plasmastrahls zum Herstellen einer plasmapolymeren Trennschicht auf einer Substratoberfläche, die so ausgestaltet ist, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung in einem Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung nicht an den Plasmastrahl gelangt.
Plasmastrahlführungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlführungseinrichtung so ausgestaltet ist, dass Si-haltiges Precursormaterial, das in einem Zuführbereich dem Plasmastrahl zuge führt wird, nicht in einen Bereich gelangt, der stromaufwärts von dem Zuführbereich angeordnet ist.
Plasmastrahlführungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlführungseinrichtung so ausgestaltet ist, dass, wenn ein Plasmastrahl geführt wird, der Druck im Zuführbereich geringer ist als zumindest unmittelbar stromaufwärts von dem Zuführbereich und dass der Druck in einem Austrittsbereich der Plasmastrahlführungseinrichtung größer ist als der Umgebungsdruck.
Plasmastrahlführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch einen Führungshohlzylinder zum Führen des Plasmastrahls und eine in dessen Wandlung am stromabwärtigen Ende angeordnete Zuführöffnung zum Zuführen eines Si-haltigen Precursormaterials.
Substratoberfläche mit einer plasmapolymeren Trennschicht, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
Substratoberfläche nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trennschichtoberfläche, die der Substratoberfläche abgewandt ist, keine stark wechselwirkenden oder reaktiven Gruppen angeordnet sind.
Substratoberfläche nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trennschichtoberfläche, die der Substratoberfläche abgewandt ist, ein hoher Anteil an CH₃-Gruppen vorliegt.
Substratoberfläche nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmapolymere Trennschicht neben Wasserstoff folgende Elemente in folgenden Mengen aufweist: – 45–55 Atom-% Kohlenstoff – 20–30 Atom-% Sauerstoff – 20–30 Atom-% Silizium – 0–5 Atom-% Stickstoff, bezogen auf die Gesamtmenge an Atomen ohne Wasserstoff.
Formgebungswerkzeug zum Ausformen eines Formteils mit einer Substratoberfläche mit einer plasmapolymeren Trennschicht, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.