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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates, mit einem Elektrodenpaar und einem dazwischen befindlichen Isolator und mit Mitteln zur Zuführung eines Gases mit schichtbildenden Substanzen in die Gasentladungszone, wobei entweder die zwischen den Elektroden befindliche Gasentladungszone zur Aufnahme des Substrates ausgebildet ist oder aus der Gasentladungszone angeregte Gaskomponenten in Richtung des Substrates austreibbar sind.
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Atmosphärendruck-Plasmaverfahren ersetzen zunehmend umweltproblematische nasschemische Prozesse und technologisch aufwändige Niederdruck-Plasmaverfahren zur Reinigung, Aktivierung und Beschichtung technischer Oberflächen. Insbesondere zur Aktivierung von Polymeroberflächen sind Atmosphärendruck-Plasmaverfahren bereits etabliert.
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Aus der
DE 38 27 629 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung von Bahnenware mittels Barrierenentladung bekannt. Bei dieser Art der Entladung befindet sich zwischen zwei leitfähigen Elektroden mindestens ein Isolator, welcher das direkte Zünden eines Lichtbogens zwischen den Elektroden beim Anlegen einer Spannung verhindert. Durch eine Wechselspannung von einigen kV mit einer Frequenz von einigen kHz bilden sich zwischen den Elektroden Mikroentladungen, welche zur Reinigung, Aktivierung und Beschichtung der Oberfläche genutzt werden kann. Das zu behandelnde Substrat kann dabei entweder als Elektrode oder als Isolator fungieren.
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Aus der
EP 0 997 926 A2 ist bekannt, zwischen zwei leitfähigen Elektroden eine Entladung zu zünden. Mindestens eine Elektrode ist dabei mit einem Isolator versehen, welcher das direkte Zünden eines Lichtbogens zwischen den Elektroden verhindert. Durch einen Gasstrom wird die Entladung in Richtung des Substrates ausgeblasen. Eine derartige Anordnung kann ebenfalls zur Reinigung, Aktivierung und Beschichtung von Oberflächen genutzt werden
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Die
DE 100 17 846 A1 offenbart, mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen mittels eines Chemical-Vapor-Deposition-Prozesses (CVD) z. B. organische, siliziumorganische oder halogenhaltige Schichten abzuscheiden. Dazu wird mit dem Prozessgas ein Prekursor (Schichtbildner) gasförmig oder als Aerosol in den Entladungsspalt eingebracht. Dabei wird jedoch nicht nur das Substrat, sondern auch die Elektrode beschichtet. Dies führt zur stetigen Verringerung des Spaltabstandes bis keine reproduzierbare Schichtabscheidung mehr möglich ist. Das Reinigen der Elektroden ist zeitaufwändig und für den industriellen Einsatz nicht akzeptabel.
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In der Offenlegungsschrift
DE 102 54 427 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Prekursor durch einen zweiten Gasstrom von der Elektrode fern gehalten wird.
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Nachteilig sind hier der aufwändigere Aufbau und Betrieb durch den zweiten Gastrom.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von Schichten mittels dielektrischer Barrierenentladung auf Oberflächen zu ermöglichen, wobei aufwändige Reinigungsarbeiten an den Elektroden vermieden werden sollen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates, mit einem Elektrodenpaar (1, 4) und einem dazwischen befindlichen Isolator (8) und mit Mitteln zur Zuführung eines Gases mit schichtbildenden Substanzen (2) in die Gasentladungszone, bei der entweder die zwischen den Elektroden befindliche Gasentladungszone (7) zur Aufnahme des Substrates (5) ausgebildet ist oder ein Plasmastrahl aus der Gasentladungszone auf das Substrat bringbar ist, wobei zumindest in der Gasentladungszone (7) eine Diffusionsbarriere (6) vorhanden ist, welche dazu bestimmt ist, das Gas mit schichtbildenden Substanzen vom Isolator (8) fernzuhalten. Bevorzugte Ausgestaltungen hierzu befinden sich in den Unteransprüchen.
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Bei den erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird das Nutzsubstrat mit einer Geschwindigkeit von etwa 0.1 - 20 m/min durch das Beschichtungsplasma hindurchgeführt.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Beschichtung der Elektrode und des sie umgebenden Isolators verhindert werden, wenn zwischen beiden Bauteilen eine Diffusionsbarriere angeordnet wird. Diese kann in Form einer dünnen Folie aus einem Isolatormaterial, einem Metall oder einer Legierung in den Entladungsspalt eingebracht werden. Die Wirkung dieser Diffusionsbarriere besteht darin, dass schichtbildende Substanzen nicht mehr die Elektroden- bzw. Isolatoroberfläche erreichen. Dadurch wird nur noch die dem Entladungsraum zugewandte Seite der Diffusionsbarriere beschichtet, wohingegen die Elektroden- oder Isolatoroberfläche sauber bleibt.
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Bei einer typischen Beschichtungsrate von 20 nm/s werden auf diese Weise in acht Stunden lediglich 580 µm auf der Diffusionsbarriere abgeschieden. Diese kann dann alle acht Stunden entweder gereinigt oder ausgetauscht werden. Da der Aufwand für das Wechseln oder Reinigen der Diffusionsbarrieren auf den Elektroden sehr gering ist und in wenigen Minuten realisiert werden kann, ist eine Integration in kontinuierlich laufende Prozesse möglich.
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Je nach Einsatzzweck kann die Diffusionsbarriere auch über mehrere Elektroden reichen und einen zwischen diesen bestehenden Spalt mit überdecken. Selbstverständlich können auch andere Bauteile der Beschichtungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Diffusionsbarriere als Beschichtungsschutz versehen werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Diffusionsbarriere so in den Entladungsspalt eingebracht, dass sie mit dem Isolator oder der Gegenelektrode in Kontakt steht. Dadurch ist der Abstand zwischen beiden Bauteilen kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen im Gas, so dass sich zwischen der Diffusionsbarriere und dem Isolator kein Plasma ausbildet. Auf diese Weise wird die zugeführte elektrische Leistung auf das Beschichtungsplasma konzentriert und der Energieverbrauch der Vorrichtung ist minimal.
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Der hierzu notwendige enge Kontakt der Diffusionsbarriere mit dem Isolator kann bevorzugt durch eine Klebverbindung sichergestellt werden. Auf diese Weise werden unerwünschte Gaseinschlüsse zwischen beiden Bauteilen vermieden und die Zündung eines parasitären Plasmas zuverlässig verhindert. Besonders bevorzugt sind dabei Klebstoffe, welche ein einfaches Abziehen der Diffusionsbarriere nach Art eines Klebebandes oder einer Haftnotiz erlauben.
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In gleicher Weise kann die Diffusionsbarriere aus einer Flüssigkeit gebildet werden, welche auf das zu schützende Bauteil aufgetragen wird und dort aushärtet. Dieses Aushärten kann beispielsweise darin bestehen, dass ein Duroplast, wie zum Beispiel ein Epoxidharz, vernetzt. Besonders bevorzugt enthält das Epoxidharz Metallpartikel, welche induktiv oder durch Mikrowellen erwärmt werden können und zum Erweichen des Epoxidharzes führen, was die Entfernung der Diffusionsbarriere ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Aushärten der Schicht auch dadurch vorgenommen werden, dass die Diffusionsbarriere aus einer Schmelze aufgebracht wird und erstarrt. Die Schmelze kann beispielsweise ein Thermoplast enthalten oder ein flüssiges Metall. In einer Dritten bevorzugten Ausgestaltung wird das Aushärten der die Diffusionsbarriere bildenden Schicht dadurch sichergestellt, dass diese zum Auftrag mit einem Lösungsmittel versetzt wird, welches beim Aushärten verdampft. Besonders bevorzugt an dieser Ausgestaltung der Erfindung ist, dass eine durch Beschichtung verbrauchte Diffusionsbarriere durch Auflösen im Lösemittel wieder von der Elektrode entfernt werden kann.
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Sofern der direkte Kontakt zu der Diffusionsbarriere mit dem zu schützenden Bauteil vermieden werden soll, kann die Diffusionsbarriere auch beabstandet im Entladungsspalt eingebaut werden. Da sich in diesem Fall beidseitig der Diffusionsbarriere ein Plasma ausbildet, wird in dem der Elektrode zugewandten Teilbereich ein Inertgas eingebracht und in den dem Substrat zugewandten Teilbereich ein Gas mit schichtbildenden Substanzen. Auf diese Weise wird das Anhaften von schichtbildenden Substanzen auf der Elektrode weiterhin vermieden, jedoch kann die Diffusionsbarriere im laufenden Betrieb der Beschichtungsanlage weitertransportiert und damit ersetzt werden. Besonders bevorzugt kann die Diffusionsbarriere in diesem Fall auch durch ein weiteres Substrat gebildet werden, welches dann im gleichen Arbeitsgang derselben Behandlung unterzogen wird.
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Besonders bevorzugt wird die Diffusionsbarriere aus Polytetrafluorethylen oder Polyimid hergestellt. Da auf der Oberfläche des Polytetrafluorethylen nur sehr wenige Beschichtungen anhaften, kann die Diffusionsbarriere in den meisten Fällen leicht gereinigt werden, z.B. mit einem Lösemittel. Eine Diffusionsbarriere aus Polyimid zeigt eine besonders hohe Temperaturstabilität und daher eine gute Standfestigkeit unter Plasmabedingungen und nur geringe Kontaminationen der Beschichtung. Beide Materialien zeigen eine geringe thermische Ausdehnung, so dass der Gasspalt sich durch die thermische Belastung nicht verändert. Die Dicke einer Erfindungsgemäßen Diffusionsbarriere beträgt zwischen 10 µm und 125 µm, besonders bevorzugt 25 um bis 50 µm.
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Ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
- 1 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher eine dielektrisch behinderte Entladung zwischen zwei Elektroden und einem Substrat gezündet wird, wobei die Elektroden gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung vor parasitärer Beschichtung geschützt sind.
- 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei welcher eine dielektrisch behinderte Entladung zwischen zwei Elektroden brennt und die im Plasma angeregten Gaskomponenten in Richtung auf das Substrat ausgetrieben werden.
- 3 zeigt wieder eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher das Substrat in den Entladungsspalt eingebracht wird, wobei die Elektroden gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung vor parasitärer Beschichtung geschützt sind.
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Gemäß der Ausgestaltung nach 1 sind zwei Elektroden 1 aus einem Metall- oder einer Legierung vorgesehen. Diese sind durch elektrische Leitungen mit einem Pol einer Hochspannungsquelle 3 verbunden. Der zweite Pol der Hochspannungsquelle vorsorgt eine Gegenelektrode 4. Die Elektroden 1 sind mit einem Isolator 8 aus einer Keramik umgeben. Zwischen die Elektroden 1 mit dem Isolator 8 und der metallischen Gegenelektrode 4 ist das zu beschichtende Substrat 5 eingebracht. Dies kann ein Metall, eine Legierung oder ein Isolator, beispielsweise eine Kunststofffolie sein. Zwischen den Elektroden wird ein Gemisch aus einem Trägergas und einer schichtbildenden Substanz durch Gaszuführungsmittel 2 in dem Entladungsspalt geleitet. Der Entladungsspalt weist vorzugsweise eine Breite von 0,5 bis 3 mm auf. Durch die dielektrisch behinderte Entladung 7 im Entladungsspalt wird das Gasgemisch angeregt und führt zur Beschichtung der Elektroden und des Substrates 5. Um den Keramikisolator 8 vor einer Verschmutzung durch die schichtbildenden Substanzen zu schützen, ist eine Diffusionsbarriere 6 auf der dem Entladungsspalt zugewandten Seite des Isolators angebracht.
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2 zeigt wiederum eine metallische Elekrode 1 mit einem keramischen Isolator 8. Daneben ist eine ebenfalls mit einem Isolator 8 versehene weitere Elektrode 4 vorhanden. Beide Elektroden sind wiederum mit den Polen einer Hochspannungsquelle 3 verbunden. Der Entladungsspalt 7 befindet sich zwischen beiden Elektroden, welche beide oberhalb es zu beschichtenden Substrates 5 angeordnet sind. Auch in dieser Ausführung der Erfindung wird dem Entladungsspalt ein Gemisch aus Inert- und Reaktivgas zugeführt. Der Gasstrom dient weiterhin dazu, die im Plasma angeregten Komponenten des Arbeitsgases aus dem Entladungsspalt auszutreiben und diese auf dem Substrat abzuscheiden. Um auch hier die Ablagerung schichtbildender Substanzen auf den Keramikisolatoren 8 zu verhindern, befindet sich eine Diffusionsbarriere 6 auf den dem Entladungsspalt zugewandten Flächen der Isolatoren. Der Abstand der Diffusionsbarrieren ist so gewählt, dass es zwischen Isolator 8 und Diffusionsbarriere 6 nicht zur Zündung einer parasitären Entladung kommt.
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3 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie die Ausführungsform nach 1. Im Unterschied zu dieser ist die Diffusionsbarriere 6 vom Elektrodenkörper 1,8 beabstandet angeordnet und teilt den Entladungsspalt in einen substratseitigen Spalt 7 und einen elektrodenseitigen Spalt 7a. Durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden 1 und der Gegenelektrode 4 kommt es beiderseits der Diffusionsbarrriere 6 zur Zündung einer filamentierten Entladung. Um eine Verunreinigung der Elektrodenkörper 8 mit schichtbildenden Substanzen zu vermeiden, wird dabei in den elektrodenseitigen Entladungsspalt 7a ein Inertgasstrom 2a geleitet. Der substratseitige Entladungsspalt 7 wird mit einem Gasstrom 2 aus einem Inert- und einem Reaktivgas durchströmt. Bevorzugt kann bei dieser Ausgestaltung die Diffusionsbarriere 6 selbst wieder ein zu beschichtendes Substrat darstellen, so dass die parasitäre Beschichtung auf der substratseitigen Oberfläche der Diffusionsbarriere als Nutzschicht verwendet werden kann.
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Beispiel 1
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Keramikelektroden wurden mit einer Diffusionsbarriere aus Polyimidklebeband geschützt. Das Klebeband weist eine transparente Polyimidfolie von 25 mm Breite und 0.07 mm Bandstärke auf. Elektrodenseitig ist es mit Silikonklebstoff beschichtet. Die Temperaturbeständigkeit reicht von -73 °C - +260 °C, der Isolationswiderstand ist größer als 1 MOhm. Das Klebeband wurde auf den Keramikisolator der Elektrode aufgeklebt. Nachfolgend wurde mit einer Wechselspannung von 5 kHz bei Atmosphärendruck eine dielektrisch behinderte Entladung gezündet. Die Elektrodenleistung lag bei 1 W/cm2. Die Gasatmosphäre der Entladung bestand aus einem Fluss von 30 Standardliter/Minute Stickstoff mit einem Anteil von 0,04 % Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als Prekursor. Auf diese Weise wurde eine 60 cm breite Polyethylenfolie beschichtet.
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Dabei hat sich gezeigt, dass die Folie sich im Betrieb nicht störend ausdehnt, so dass der Gasspalt sich durch die thermische Belastung nicht verändert. Die Beschichtungsrate auf dem Klebeband war identisch mit der auf Polyethylenfolie. Mit der für HMDSO typischen Beschichtungsrate von etwa 20 nm/s wurde auf dem Klebeband innerhalb einer Stunde eine Schicht von ca. 70 µm abgeschieden. Der Klebstoff des Klebebands zeigte die gleiche Temperaturbeständigkeit wie die Folie selbst. Es kam zu keiner Verhärtung des Klebstoffes und das Klebeband ließ sich ohne Hilfsmittel restlos entfernen.
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Beispiel 2
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In einem weiteren Beispiel soll eine 60 cm breite Polypropylenfolie mit Tetraethoxysilan (TEOS) beschichtet werden. Dabei wurden die Keramikelektroden mit einem Klebeband aus extrudiertem Polytetrafluorethylen (PTFE) geschützt. Auch hier betrug die Breite 25 mm, die Bandstärke jedoch 90 µm. Eine solche Diffusionsbarriere weist eine Temperaturbeständigkeit von -73 °C - +205 °C, kurzzeitig bis + 260 °C, auf. Klebstoff und Isolationswiderstand sind gegenüber dem Beispiel 1 unverändert.
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In diesem Fall wurde mit einer Wechselspannung von 60 kHz bei Atmosphärendruck eine dielektrisch behinderte Entladung gezündet. Die Elektrodenleistung lag bei 1 W/cm2. Die Gasatmosphäre der Entladung bestand aus einem Fluss von 30 Standardliter/Minute synthetischer Luft (80 % Stickstoff und 20 % Sauerstoff) mit einem Anteil von
0,03 % Tetraethoxysilan (TEOS) als Prekursor.
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Auch hier hat sich gezeigt, dass die Folie sich im Betrieb nicht störend ausdehnt, so dass der Gasspalt sich durch die thermische Belastung nicht verändert. Nach einer Beschichtungsdauer von 30 min. zeigte sich sowohl auf dem Polypropylensubstrat als auch auf der Diffusionsbarriere eine Beschichtung von 35 µm aus SiOx mit Resten von Kohlenstoff. Die Beschichtung auf der Polypropylenfolie war dabei fest haftend, die Beschichtung auf der Polytetrafluorethylenfolie konnte ohne Lösungsmittel durch Abwischen grob entfernt werden. Für eine gründliche Reinigung der Polytetrafluorethylenfolie eignen sich je nach abgeschiedener Schicht Wasser, Ethanol oder Aceton.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- leitfähige Elektrode
- 2.
- Gasstrom mit Prekursor
- 3.
- Generator
- 4.
- leitfähige Gegenelektrode
- 5.
- Substrat
- 6.
- Diffusionsbarriere
- 7.
- Entladungsspalt
- 8.
- Isolator
