DE4233895C2 - Vorrichtung zur Behandlung von durch einen Wickelmechanismus bewegten bahnförmigen Materialien mittels eines reaktiven bzw. nichtreaktiven, durch Hochfrequenz- oder Pulsentladung erzeugten Niederdruckplasmas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von durch einen Wickelmechanismus bewegten bahnförmigen Mate­ rialen mittels eines reaktiven bzw. nichtreaktiven, durch Hochfrequenz- oder Pulsentladung erzeugten Niederdruckplasmas entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist in der DE 36 06 959 A1 beschrieben.

Gemäß der DE 36 06 959 A1 (vgl. Fig. 4 und 6) wird ein bandförmiges Substrat über eine von einer metallischen Kühl­ walze gebildeten Anode geführt. Gemäß Fig. 1 der DE 36 06 959 A1 ist einer mit Rippen zur Stabilisierung des Plasmas verse­ henen Hohlkathode an ihrer offenen Seite eine Anode zugeord­ net, die zugleich als Halter für ein Substrat dient, welches daran beteiligt ist, die offene Seite der Hohlkathode, d. h. deren Plasmadurchtrittsöffnung, abzuschließen.

Die Vorrichtung gemäß der DE 36 06 959 A1 gestattet nur eine einseitige inhomogene Oberflächenbehandlung mit der mög­ lichen Folge einer Beschädigung von dünnen oder aus empfind­ lichen Materialen hergestellten Folien.

Eine in der DE 33 00 095 A1 (s. dort Fig. 1) beschrie­ bene Vorrichtung zeigt eine Entladung zwischen einer mit Hochfrequenz gespeisten Elektrode und einer geerdeten Elek­ trode. Die damit einhergehende Unsymmetrie der Hochfrequenz­ anregung verursacht eine unterschiedliche Behandlung von bei­ den Seiten des Textilproduktes. Um die Symmetrie der Behand­ lung zu erreichen, wird das Textilprodukt in aufwendiger Weise durch zwei Kammern geführt.

Außerdem wird es bei der durch die DE 33 00 095 A1 be­ kannten Vorrichtung als nachteilig empfunden, daß zwischen beiden Seiten des Textilproduktes ein Potentialunterschied anliegt. Dies bedeutet eine kapazitive Kopplung zwischen bei­ den Elektroden durch das Textilprodukt, die gegebenenfalls zu Plasmadurchschlägen, und mithin zu einer Beschädigung der Oberfläche empfindlicher bahnförmiger Materialien, führen kann. Außerdem ist bei dieser bekannten Vorrichtung die Art der HF-Einkopplung uneffizient und führt zu niedrigen Plasma­ dichten und folglich zu einem kleinen Durchsatz einer solchen Anlage.

Von der US 46 37 843 ist es bekannt, eine Hohlkathode insgesamt mit einer behälterförmigen Anode zu umgeben. Das Plasma füllt deshalb den gesamten Hohlraum des Behälters aus, in dem auch das Substrat angeordnet ist. Das Substrat ist demnach insgesamt vom Plasma nur eines Elektrodenpaares umhüllt.

Ausgehend von der durch die DE 36 06 959 A1 bekannten Vorrichtung, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine günstig zu handhabende Vorrichtung mit wesentlich verbesser­ tem Wirkungsgrad zu schaffen. Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß zwei mit ihren Plasmadurch­ trittsöffnungen einander zugekehrte, auf jeder Seite des bandförmigen Materials gegenüberliegend angeordnete, Hohlka­ thoden einen Durchführungsschlitz für das bandförmige Mate­ rial bilden, welches allein beide Plasmadurchtrittsöffnungen der beiden gegenüberliegend angeordneten Kathodenhohlräume abschließt, die schlitzförmig ausgebildet sind und an beiden Seiten je ein offenes Ende aufweisen, welches jeweils von ei­ ner plattenförmig ausgebildeten Anode abgeschlossen ist.

Im Unterschied zur Vorrichtung gemäß der DE 36 06 959 A1 besteht die Eigenart der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, daß die Hohlkathode beidendseitig offen ist und an diesen beiden offenen Enden jeweils eine Anode vorsieht.

Die erfindungsgemäße Hohlkathode weist also - im Unter­ schied zum Bekannten - an ihrer dem bahnförmigen Substrat ge­ genüberliegenden Seite keine Anode auf, sondern ist im Be­ reich der Plasmadurchführungsöffnung gänzlich offen und des­ halb durch das bahnförmige Substrat allein abgeschlossen. Da­ bei verschließt das bahnförmige Substrat zugleich, und zwar mit seiner Oberseite und mit seiner Unterseite, beide Plasma­ durchtrittsöffnungen der einander gegenüberliegenden Hohlka­ thoden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also eine räumlich begrenzte Hohlkathodenentladung in einer speziellen Behandlungskammer erzeugt.

Die räumliche Begrenzung der Entladung erlaubt es, das Plasma von anderen Bauteilen in der Vakuumkammer fernzuhal­ ten. Dadurch werden solche nachteilige Erscheinungen unter­ drückt, wie die Zersetzung von Schmierstoffen im Wickelmecha­ nismus, oder Kurzschlüsse zwischen zwei auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegenden Teilen, die bei Anwesen­ heit des Plasmas entstehen können.

Weil das Plasma nur in dem Bereich erzeugt wird, in dem seine modifizierende Wirkung auf die Oberfläche des bahnför­ migen Materials zustandekommt, wird die Verlustleistung im Vergleich mit Anlagen, in denen das Plasma im großen Volumen der Vakuumkammer zündet, wesentlich kleiner.

Dadurch, daß das bahnförmige Material nicht auf der HF- Kathode liegt, wird dessen Beschuß mit hochenergetischen Io­ nen aus dem Plasma vermieden.

Der Durchsatz der Plasmabehandlungsanlage hängt von der maximal zulässigen Geschwindigkeit des bahnförmigen Materials ab. Im Prinzip ist eine beliebig hohe Materialgeschwindigkeit möglich, da die notwendige Behandlungsdauer über die hänge des behandelten Materialabschnittes einstellbar ist. Dies wird teilweise durch eine Vergrößerung des Innenmaßes des Hohlraumes erreicht. Zu große Dimensionen der Hohlkathode verursachen jedoch eine Schwächung des Hohlkathodeneffektes und dadurch ein weniger effizientes Plasma. Die andere Lösung für eine Verlängerung des effektiven Behandlungsweges ist die Verwendung von mehreren nebeneinander angeordneten Hohlräumen in der Hohlkathode.

Durch die Erfindung wird eine von der gesamten Vakuuman­ lage räumlich getrennte Behandlungskammer angegeben, die eine genügende Plasmadichte aufweist, um eine Modifizierung von mehreren Metern je Minute eines bahnförmigen Materials zu er­ reichen.

Zusätzliche Erfindungsmerkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand des in den Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a im Schnitt die Vorrichtung zur beidseitigen Be­ handlung eines bahnförmigen Materials mit vier quadratischen Hohlräumen, in der Ebene parallel zur Bewegungsrichtung des Materials,

Fig. 1b die Vorrichtung gemäß Fig. 1a in der Ebene senk­ recht zur Bewegungsrichtung des Materials, etwa entsprechend der Schnittlinie B-B in Fig. 1a,

Fig. 2 im Schnitt die Hohlkathode in einer speziellen Ausführung mit einer Innenverkleidung der Hohlräume aus Oxid- Keramik,

Fig. 3 in Ansicht die optimierte Gaszuführung in die Hohlräume durch Öffnungen unterschiedlicher Größe,

Fig. 4 im Schnitt ein an die Anodenplatten angebrachtes Verbundsystem aus Permanentmagneten.

In den Fig. 1a und 1b ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Anspruch 4 zu sehen. Das bahnförmige Mate­ rial 6 wird mit zwei Walzen 8 durch die insgesamt mit 17 be­ zeichnete Behandlungskammer transportiert. Die Behandlungs­ kammer 17 besteht im wesentlichen aus zwei gegenüberliegenden Hohlkathoden 1, zwischen denen das bahnförmige Material 6 be­ wegt wird, und die in einem aus zwei Hälften 18 bestehenden Gehäuse 2 eingeschlossen sind. Die Hohlräume 7 in den Katho­ den 1 werden in Form von Schlitzen ausgeführt, die senkrecht zur Vorschubrichtung x des bahnförmigen Materials verlaufen. Die Plasmadurchtrittsöffnungen 20 der Hohlräume 7 werden praktisch einseitig von der Materialbahn 6 abgeschlossen. Ein Hochfrequenzgenerator oder ein bipolarer Pulsgenerator 11 ist an beiden Hohlkathoden über entsprechende elektrische Vakuum­ durchführungen 15 angeschlossen und liefert die zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas notwendige Leistung. Die Erdung des Gehäuses 2 erfolgt über die Wand 16 der Vakuumkammer K bei 21.

Jede Halbschale 18 des Gehäuses 2 besteht aus einer Ab­ schirmung 2b, die die zugehörige Hohlkathode 1 umhüllt und aus zwei sich in Vorschubrichtung x sowie senkrecht zur Mate­ rialbahn 6 seitlichen senkrechten Platten 2a, die das Gehäuse 2 an beiden Seiten abschließen.

Der Abstand zwischen Rückseite 22 der jeweiligen Hohlka­ thode 1 und der Abschirmung 2b muß ausreichend klein sein, um eine parasitäre Entladung in dem Bereich zwischen der Hohlka­ thode 1 und dem Gehäuse 2 zu vermeiden und gleichzeitig aus­ reichend groß, um keine Bogenentladungen zuzulassen.

In einer (oder in beiden) dieser Platten 2a befinden sich Gaseinlässe 4 in Form von Einzellöchern oder mehrlöchri­ gen Gasverteilern.

Durch die Gaseinlässe 4 wird das Arbeitsgas in die Hohl­ räume 7 der Hohlkathoden 1 eingeführt und mittels einer Glimmentladung zwischen Gehäuseplatten (Anoden) 2a und den Hohlkathoden 1 in einen ionisierten Zustand gebracht. Neben den Ionen werden in der Glimmentladung je nach Gasart auch verschiedene chemisch aktive Radikale und Moleküle erzeugt. Das zwischen den Kathoden 1 geführte bahnförmige Material 6 wird der Wirkung der Ionen und chemisch aktiven Stoffe aus der Glimmentladung ausgesetzt, wodurch eine entsprechende Mo­ difikation der Materialoberfläche der Bahn 6 stattfindet. Die den Anodenplatten 2a benachbarten offenen Seitenflächen der Kammern 7 sind mit der Bezugsziffer 23 bezeichnet.

Der sich parallel zur Bahn erstreckende gehäuseseitige Durchführungsschlitz 19 im Gehäuse 2, durch den das bahnför­ mige Material hindurchgezogen wird, sollte möglichst klein sein. Es baut sich dann zwischen dem Inneren der Plasmazelle und dem übrigen Bereich der Vakuumkammer ein Druckunterschied auf, so daß die für die Entladung optimalen Bedingungen nur im Inneren der Behandlungskammer gegeben sind und nur dort das Plasma brennt.

Die optimalen Dimensionen des durch die einzelnen Hohl­ räume 7 gebildeten gesamten Hohlraumes werden dem typischen Druck im Hohlraum während des Behandlungsprozesses angepaßt und hängen von der Saugleistung des Vakuumsystems und der Spaltgröße (Dicke des Durchführungsschlitzes 19) zwischen dem Gehäuse 2 der Behandlungskammer und dem bahnförmigen Material 6 ab.

Die Plasmadichte in den Hohlräumen 7 läßt sich durch eine Verwendung von Materialien mit hohen Sekundärelektronen­ koeffizienten steigern. Z.B. durch eine Auskleidung 9 der Hohlräume der Metallkathode 1 mit Aluminiumoxid nach Fig. 2 läßt sich eine Vergrößerung der Ionenkonzentration und der Produktionsraten von chemisch reaktiven Stoffen im Plasma er­ reichen.

Gleichzeitig kann die Verkleidung 9 der Kathode und An­ ode (Gehäuseplatten 2a) mit Isolierschichten zur Reduzierung der Materialzerstäubung aus den Elektroden benutzt werden, wenn die Zerstäubungsausbeute des Verkleidungsmaterials klei­ ner ist als diejenige der Metallelektroden.

Der Weg des Arbeitsgases von dem Gaseinlaß 4 in die Va­ kuumkammer durch mehrere Spalten zwischen der Kathode und dem bahnförmigen Material ist für die nebeneinander liegenden Hohlräume 7 unterschiedlich lang. Dies führt zu Druckunter­ schieden und infolgedessen zu unterschiedlichen Zündbedingun­ gen in den einzelnen Hohlräumen. Um eine optimale Entladung in allen Hohlräumen 7 zu erzeugen, haben die Gaseinlaßöffnun­ gen 4, wie Fig. 3 deutlich macht, unterschiedliche Quer­ schnittsflächen, d. h. die Strömungsquerschnitte der Gasein­ laßöffnungen sind proportional dem zugeordneten Weg des Ar­ beitsgases. Damit wird eine gleichmäßige Druckverteilung über alle Hohlräume 7 erreicht.

Fig. 4 zeigt eine Cusp-Anordnung von Permanentmagneten 13, die an beiden Anodenplatten 2a angebracht sind. Das hier­ mit erzeugte magnetische Feld verursacht, daß sich die der Anode 2a annähernden Elektronen auf spiralförmigen Trajekto­ rien bewegen, wodurch ihre Aufenthaltsdauer vor der Anode 2a erhöht wird. Wegen der daraus folgenden Reduzierung der Re­ kombination von Elektronen an der Anode 2a wird eine höhere Plasmadichte, eine homogenere Ionenkonzentration entlang der Hohlräume 7 in der Kathode 1 und eine geringere Zerstäubung des Anodenmaterials erreicht. Die Magnete 13 sind so angeord­ net, daß die Magnetfeldlinien 14 möglichst parallel zu der Anodenplatte 2a und senkrecht zu der jeweiligen Längsachse z der Hohlräume 7 in der Kathode 1 verlaufen. In diesem Fall ist die Wirkung auf die in Richtung der Anode 2a sich bewe­ genden Elektronen am stärksten. Besonders effektiv ist die Magnetanordnung bei verhältnismäßig kleinen Drücken in den Hohlräumen 7 (unter 0,01 mbar).

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Behandlung von durch einen Wickelme­ chanismus (8) bewegten bahnförmigen Materialien (6) mittels eines reaktiven bzw. nichtreaktiven, durch Hochfrequenz- oder Pulsentladung erzeugten Niederdruckplasmas, mit einer in ei­ ner Vakuumkammer (K) aufgenommenen Elektrodenanordnung (1, 2a), welche mindestens eine Hohlkathode (1) mit mindestens einem Kathodenhohlraum (7) aufweist, dessen Plasmadurch­ trittsöffnung (20) vom bahnförmigen Material (6) abgeschlos­ sen ist, wobei jeder Hohlkathode (1) mindestens eine Anode (2a) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit ih­ ren Plasmadurchtrittsöffnungen (20) einander zugekehrte, auf jeder Seite des bandförmigen Materials (6) gegenüberliegend angeordnete, Hohlkathoden (1) einen Durchführungsschlitz (19) für das bandförmige Material (6) bilden, welches allein beide Plasmadurchtrittsöffnungen (20) der beiden gegenüberliegend angeordneten Kathodenhohlräume (7) abschließt, die schlitz­ förmig ausgebildet sind und an beiden Seiten je ein offenes Ende (23) aufweisen, welches jeweils von einer plattenförmig ausgebildeten Anode (2a) abgeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bahnförmiges Material (6) eine Kunststoffolie aus PTFE, PVC, PE oder auf Cellulosebasis ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bahnförmige Material ein Fasergeflecht oder ein Textilprodukt ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlräume (7) der Kathoden (1) bzw. die Anodenflächen mit einem Material (9) verkleidet bzw. be­ schichtet sind, das einen hohen Koeffizienten der Sekundär­ elektronenemission aufweist und von dem Plasma nicht ange­ griffen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verkleidungs- bzw. Beschichtungsmaterial aus Alumini­ umoxid besteht.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einführung des Arbeitsgases in das Ent­ ladungsgebiet durch Öffnungen (4) unterschiedlicher Größe er­ folgt, derart, daß die Strömungsquerschnitte der Gaseinlaß­ öffnungen (4) proportional dem zugeordneten Weg des Arbeits­ gases sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kathoden (1) wassergekühlt sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Verbund aus Permanentmagneten (13) an der Anode (2a) angebracht ist, derart, daß die Magnetfeldli­ nien (14) an den offenen Enden (23) der schlitzförmigen Hohl­ räume (7) der Kathoden (1) im wesentlichen parallel zur An­ odenplatte (2a) verlaufen.