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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Plasmaerzeugung
und Plasmabehandlung und genauer auf eine Anordnung zum Erzeugen eines
Plasmas mit einem Entladungsraum zwischen zumindest einem Paar von
Elektroden, die zum Bereitstellen eines elektrischen Felds und zum
Erzeugen eines Plasmas in dem elektrischen Feld eingerichtet sind,
wobei zumindest eine der Elektroden durch eine dielektrische Schicht
bedeckt ist, und die zumindest eine Elektrode eine Grenzfläche mit
dem Entladungsraum aufweist.
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Die
Erfindung bezieht sich weiter auf eine Elektrode zur Verwendung
in solch einer Anordnung.
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Die
Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Verfahren zum Betreiben einer
Anordnung wie vorstehend beschrieben zum Erzeugen und Beibehalten eines
Glimmentladungsplasmas in einem Plasmaentladungsraum mit zumindest
einem Paar von Elektroden, durch Einführen eines Gases oder eines
Gasgemisches unter atmosphärischen
Druckbedingungen in den Entladungsraum, durch Energetisieren der
Elektroden unter Verwendung einer AC-Energieversorgungseinrichtung,
die ein elektrisches Feld zum Erzeugen eines Plasmas in dem elektrischen Feld
bereitstellt, wobei zumindest eine der Elektroden durch eine dielektrische
Schicht bedeckt ist, und die zumindest eine der Elektroden eine
Grenzfläche mit
dem Entladungsraum besitzt.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Anordnung und ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, ist zum
Beispiel in der Europäischen
Patentanmeldung
EP-A-0467639 beschrieben,
die einen Plasmaoberflächenbehandlungsprozess
unter atmosphärischen
Druckbedingungen beschreibt, wobei ein Plasma zwischen einem Paar
von Elektroden erzeugt wird, wovon zumindest eine mit einem festen
Dielektrikum bedeckt ist.
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Die
Verwendung von Plasmas bei der Materialverarbeitung und/oder der
Oberflächenbehandlung
ist in der Industrie weit verbreitet. Plasmas können für alle Arten von Oberflächenbehandlungen
verwendet werden, unter welchen Säubern und Aktivieren von Oberflächen, Bedampfen,
wie etwa plasma-gestütztes
chemisches Bedampfen (PECVD) usw. sind. Plasmas werden ebenso verwendet
zum Verbessern der haftenden Eigenschaften einer Oberfläche, zum
Beispiel Polymeroberflächen.
Ein Beispiel dafür
ist die Fotofilmproduktionsindustrie, bei welcher Plasmas verwendet
werden, um die Oberfläche
eines Filmsubstrats zu behandeln, zum Beispiel, um die haftenden
Eigenschaften zu verbessern.
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Plasmas
werden allgemein als eine geeignete Lösung zur Materialverarbeitung
betrachtet, weil ein großer
Fluss von reaktiven Arten (Radikalen, Ionen) erzeugt wird, welcher
auf den Verarbeitungsbereich gerichtet werden kann und durch eine
geeignete elektrische Feldverteilung in die gewünschte Form verarbeitet werden
kann.
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Es
ist zu verstehen, dass speziell bei Anwendungen, die auf Oberflächenbehandlung
gerichtet sind, das Plasma idealerweise ein gleichförmiges und
stabiles Plasma ist. Bei Verwendung eines gleichförmigen und
stabilen Plasmas wird die Oberfläche
ebenso auf eine gleichförmige
Weise behandelt. Wenn zum Beispiel die haftenden Eigenschaften zu
verbessern sind, wird der Fachmann es vorziehen, haftende Eigenschaften
zu erhalten, die über
die behandelte Oberfläche
hinweg gleichförmig
sind.
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Um
die Erzeugung eines gleichförmigen Plasmas
zu erreichen ist es erstens wichtig, dass ein Durchschlag bzw. „breakdown" des Plasmas gleichförmig ist,
und zweitens dass das gleichförmig
erzeugte Plasma solang wie möglich
beibehalten wird. In beiden dieser Schritte können große Instabilitäten auftreten,
wie etwa Strahldurchschlag bzw. Streamer „breakdown" und Verfaserung bzw. „filamentation". Um ein homogenes
Glühen
zu erzeugen, sollten diese Instabilitäten vermieden werden.
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Es
wurden viele Bemühungen
unternommen, Plasmas unter atmosphärischem Druckbedingungen und
bei niedrigen Temperaturen (zum Beispiel 300 K bis 400 K) zu erzeugen,
da dies stark die Anzahl von Anwendungen verbessert, während es die
Verarbeitungskosten reduziert. Die Vorteile des Verwendens von atmosphärischen
Druckbedingungen sind die größere Dichte
von reaktiven Arten, als in dem Fall eines niedrigen Drucks, und
der Vorteil des Vermeidens einer Vakuumtechnologie. Die Erzeugung
bei niedrigen Temperaturen macht diese Technologie anwendbar für die Behandlung
von thermoplastischen Polymeroberflächen. Ein anderer Vorteil ist
die Möglichkeit
des Erzeugens eines stabilen Plasmas unter Verwendung von Luft anstelle
eines anderen Gases, da Luft billig und leicht verfügbar ist.
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Die
Erzeugung eines Plasmas unter den vorstehenden Bedingungen ist keine
unkomplizierte Technik. Bei atmosphärischem Druckbedingungen ist die
Partikeldichte hoch und als Ergebnis davon ist die mittlere freie
Weglänge
(„mean
free path") von
reaktiven Arten klein. Der Prozess des Erregens und Ionisierens
ist auf einen begrenzten Bereich beschränkt, und das Plasma wird hauptsächlich in
einer faserartigen Form erzeugt.
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Plasmas
unter atmosphärischen
Druckbedingungen tendieren dazu sehr unstabil zu sein und tendieren
dazu sich nach kurzer Zeit nach dem Durchschlag in einen Funken
oder einen Bogen zu entwickeln. Jeder zufällige lokale Anstieg einer Stromdichte
wird eher dazu tendieren zu wachsen als gedämpft zu werden, und das Plasma
wird beschränkt.
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Die
Effekte der vorstehend erwähnten
Instabilitäten
können
durch Begrenzen der Stromdichte und der Plasmadauer durch Bedecken
der Elektroden mit einem Dielektrikum reduziert werden (dielektrische
Sperrschicht-Entladungskonfiguration, DBD). Aufgrund der Ladungsanhäufung auf
der Oberfläche des
dielektrischen Materials wird der Wert der Spannung, die an das
Plasma angelegt wird, reduziert. Wenn die Größe der Spannung, die an das
Plasma angelegt wird, unter einen kritischen Pegel abfällt (Abschaltspannung)
kann das Plasma nicht länger beibehalten
werden. Die Plasmadauer wird deshalb begrenzt.
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Andererseits
ist jedoch die Verwendung von „stranguliertem" atmosphärischem
Plasma zur Materialverarbeitung weniger effizient. Zusätzlich kann
die dielektrische Sperrschichtentladung die Stromdichte nur zu einem
bestimmten Ausmaß beschränken, da Strähle bzw. „streamers" mit Stromdichten
im Bereich von 10 A/cm2 auf kleinen Oberflächenbereichen
immer noch erzeugt werden können.
Die dielektrische Sperrschicht beschränkt die Gesamtstromdichte über die
Oberfläche
der Elektroden, die zum Erzeugen des Plasmas verwendet werden, aber
verhindert nicht das Auftreten von starken lokalen Strömen aufgrund
einer Strahlbildung bzw. „streamer
formation".
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Es
ist bekannt, dass die Oberfläche
der Elektroden (ob mit einem Dielektrikum bedeckt oder nicht) eine
wichtige Rolle beim Erzeugen und Beibehalten des Plasmas spielt.
Eine Vielzahl von Interaktionen zwischen der Oberfläche, dem
elektrischen Feld zum Erzeugen des Plasmas und dem Plasma selbst
bestimmen die Bedingungen, die in dem Entladungsraum vorhanden sind,
und bestimmen deshalb, ob ein erzeugtes Plasma stabil und gleichförmig oder nicht
stabil and faserartig ist.
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Eine
dieser Interaktionen basiert auf einer Erzeugung sekundärer Elektronen
an der Oberfläche der
Elektrode. Diese sekundären
Elektronen müssen von
der Oberfläche
befreit werden und in den Entladungsraum freigegeben werden, wo
sie zu der Erzeugung des Plasmas beitragen können. Ein Material zu finden,
bei dem einerseits ausreichend sekundäre Elektronen in der Nähe der Oberflächen vorhanden
sind während
andererseits diese sekundären Elektronen
unter Verwendung eines nur begrenzten Energiebetrags freigegeben
werden können,
ist schwierig. Eine Anzahl von Materialien wurde vorgeschlagen,
oft in Kombination mit einer dielektrischen Sperrschicht-Entladungskonfiguration,
aber das Optimum in diesem Gleichgewicht zu finden bleibt in der Industrie
ein Problem.
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Kurzfassung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung und ein
Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas bereitzustellen, durch welches die
vorstehend erwähnten
Probleme vermieden werden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung
und ein Verfahren bereitzustellen, welche dazu in der Lage sind,
ein Plasma zu erzeugen, das gleichförmig und stabil ist.
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In
einem ersten Aspekt der Erfindung werden diese und andere Aufgaben
durch die vorliegende Erfindung erreicht, durch Bereitstellen einer
Anordnung gemäß Anspruch
1. Weitere Ausführungsbeispiele sind
in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Es
ist speziell die Kombination des Verwendens elektrisch leitender
Bereiche, für
welche die Arbeitsfunktion niedrig ist, und isolierender Bereiche, auf
welchen Ladung angehäuft
wird, die Vorteile bereitstellt. Die Arbeitsfunktion der Oberfläche gibt
die Energie an, die zum Freigeben von Elektronen von der Oberfläche erforderlich
ist. Leitende Oberflächen stellen
eine niedrige Arbeitsfunktion bereit und Elektronen, die in der
Nähe der
Oberfläche
eines Leiters vorhanden sind, können
leicht freigegeben werden, zum Beispiel unter dem Einfluss eines
elektrischen Feldes.
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Andererseits
ist eine isolierende Oberfläche in
einem elektrischen Feld gekennzeichnet durch eine Ladungsanhäufung auf
der Oberfläche,
wobei die Anhäufung
von Ladung das elektrische Feld in der Nähe der Oberfläche lokal
verstärkt.
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Es
ist daher zu verstehen, dass eine Oberfläche, die aus Bereichen, die
das elektrische Feld lokal verstärken,
und Bereichen mit einer niedrigen Arbeitsfunktion besteht, in denen
Elektronen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes leicht freigegeben werden
können,
beim Bereitstellen von Elektronen für den Entladungsraum sehr effizient
sind.
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Ein
Verwenden solch einer Oberfläche
auf den Elektroden der Anordnung wie vorstehend erwähnt ist
daher vorteilhaft, da die Elektronen, die durch die Oberfläche effizient
freigegeben werden, zu dem Plasma beitragen können.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die elektronisch leitenden Bereiche
und die isolierenden Bereiche gleichförmig über die Grenzfläche verteilt.
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Eine
gleichförmige
Verteilung der elektronisch leitenden Bereiche und isolierenden
Bereiche ermöglicht
es, dass die Freigabe von Elektronen von dieser Oberfläche über die
Oberfläche
als Ganzes homogener ist. Dies trägt zu der Gleichförmigkeit
des Plasmas bei, da es eine gleichförmige Plasmaerzeugung ermöglicht.
Zusätzlich,
sobald das Plasma erzeugt ist, wird aufgrund einer homogeneren Freigabe von
Elektronen über
der Oberfläche
die Verteilung der Elektronen über
dem Entladungsraum ebenso gleichförmiger und dies trägt zur Stabilität des Plasmas
bei.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der Oberflächenbereich von einem oder
mehreren der leitenden Bereiche und der isolierenden Bereiche zumindest
eine Größenordnung
kleiner als der Oberflächenbereich der
Grenzfläche.
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Es
sei angemerkt, dass die Vorteile von abwechselnd eingerichteten
kleinen leitenden und isolierenden Bereichen darin liegen, dass
die Oberfläche
eine Vielzahl von Bereichen umfasst, in denen die Arbeitsfunktion
niedrig ist und welche nahe zu anderen Bereichen sind, in denen
das elektrische Feld verstärkt
ist. Da es besonders die Kombination zwischen dem lokal verstärkten Feld
und den Bereichen auf der Oberfläche
mit niedrigen Arbeitsfunktionen ist, ist anzuerkennen, dass eine
Oberfläche
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
beim Freigeben von Elektronen in den Entladungsraum sehr effizient
ist.
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Es
sei angemerkt, dass gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die isolierenden Bereiche aus einem dielektrischen
Material bestehen. Dielektrische Materialien mit elektrisch isolierenden
Eigenschaften sind für
die Verwendung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung geeignet.
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Es
ist zu verstehen, dass bei einer dielektrischen Sperrschicht-Entladungskonfiguration
(DBD) wie vorstehend, die Lehren dieser Erfindung leicht erreicht
werden können,
durch Hinzufügen
von Bereichen eines leitenden Materials zu der Oberfläche der Elektroden
mit der dielektrischen Schicht. Es sei angemerkt, dass dies durch
Sputtern, Bedampfen, Ätzen, Überziehen
oder einem anderen Verfahren des Befestigens, Haftens oder Einbringens
elektrisch leitender Bereiche in oder auf die Oberfläche erreicht werden
kann. Im Besonderen können
die leitenden oder isolierenden Bereiche durch Sputtern eines Metallüberzugs
auf eine dielektrische Schicht im Plasma gefolgt von Lufteinwirkung
gebildet werden.
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Ein
weiterer Vorteil dieses letztgenannten Ausführungsbeispiels ist es, dass
es beobachtet wurde, dass die Effekte der Lehren der vorliegenden
Erfindung in Kombination mit einer dielektrischen Sperrschichtkonfiguration
wie beschrieben, zum Bereitstellen eines gleichförmigen Plasmas gut geeignet
sind. Diese Ausführungsbeispiele
können
zum Beispiel verwendet werden, um Plasmas unter atmosphärischen
Druckbedingungen bei niedrigen Temperaturen zum Beispiel unter Verwendung
von Luft zu erzeugen.
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Das
dielektrische Material kann aus einer Gruppe mit Polyethylenterephthalat
(PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polytetrafluorethylen (PTFE), Triacetat-Cellulose
(TAC), Polyolefine wie etwa Polyethylen oder Polypropylen, Polyamide,
Polyurethane, Polystyrole, Polycarbonate, Polysiloxane, Polyacrylate,
Polymethacrylate, Keramiken wie etwa SiO2, Al2O3, ZrO, Y2O3, CaCO3
oder MgO und Kombinationen von diesen ausgewählt werden. Es ist zu verstehen,
dass jedes andere dielektrische Material verwendet werden kann,
angemessene Ergebnisse wurden jedoch unter Verwendung der vorstehend
erwähnten
dielektrischen Materialen erhalten.
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Gemäß einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung bestehen der eine oder die mehreren leitenden Bereiche
aus Metall. Dieses Metall kann aus einer Gruppe mit Nickel (Ni),
Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Gold (Au), Molybdän (Mb),
Silber (Ag), Aluminium (Al), Titan (Ti), Kobalt (Co), Magnesium
(Mg), Platin (Pt), Zinn (St), Zink (Zn) und ähnlichen ausgewählt werden.
Natürlich kann
auch jedes andere geeignete Metall genauso verwendet werden. Angemessene
Ergebnisse und stabile und gleichförmige Plasmas wurden unter
Verwendung der vorstehend erwähnten
Metalle erhalten.
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In
einem spezifischen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung werden die leitenden Bereiche durch eine
Metallschicht gebildet, wobei eine Oberfläche von diesen die Grenzfläche bildet.
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
ist die Elektrode mit einer Metallschicht bedeckt, auf welcher zum
Beispiel eine Vielzahl von isolierenden Bereichen angeordnet sein
kann. Es ist anzuerkennen, dass ebenso an eine Elektrode, die mit
einer dielektrischen Schicht (gemäß einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele) bedeckt
ist, gedacht werden kann, wobei die dielektrische Schicht mit einer
Metallschicht bedeckt ist, wobei mittels Ätzen die dielektrische Oberfläche freigelegt
wird, was die Vielzahl von elektrisch leitenden und isolierenden
Bereichen bildet.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Elektrode mit einem dielektrischen Material
bedeckt, auf welchem eine Vielzahl von elektrisch leitenden Bereichen
angeordnet ist, zum Beispiel in der Form geschlossener Stellen.
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Es
sei angemerkt, dass diese leitenden Bereiche oder isolierenden Bereiche
in die Grenzfläche eingebettet
werden können,
zum Beispiel als geschlossene leitende Stellen, die in einer dielektrischen
Oberfläche
in einer DBD-Konfiguration
eingebettet werden können
oder als geschlossene isolierende Bereiche in einer Metallschicht.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung können
die leitenden oder isolierenden Bereiche eingerichtet werden, um eine
leitende oder isolierende periodische Struktur zu bilden. Die periodische
Struktur kann aus einer Gruppe mit Gittern, konzentrischen Kreisen,
Drähten,
Linienmustern, Streifen oder jeden anderen ähnlichen Strukturen ausgewählt werden.
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Die
elektrisch leitenden Bereiche und isolierenden Bereiche können aus
einer Gruppe mit Quadraten, Kreisen, Punkten, Dreiecken, Polygonen oder
anderen Formen ausgewählt
werden.
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Jede
dieser periodischen Strukturen, Stellen und Bereiche kann einfach
gleichförmig
auf der Oberfläche
eingerichtet werden (wie zum Beispiel ein Schachbrettmuster) und
sind deshalb zur Verwendung mit der Erfindung geeignet.
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Eine
Mischung eines Metalls und eines Polymers kann verwendet werden,
um eine Oberfläche mit
einer sehr niedrigen Arbeitsfunktion zu produzieren. Auf diese Weise
werden die Feldemission und die sekundäre Elektronenemission stark
verstärkt, was
die Erzeugung eines gleichförmigen
Plasmas unterstützt.
Die Menge an Metall muss überwiegen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt stellt die Erfindung eine Elektrode wie in Anspruch
22 definiert bereit, zur Verwendung in einer Anordnung gemäß einem
der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Gemäß einen
dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung ebenso auf ein Verfahren
des Betreibens einer solchen Anordnung zum Erzeugen und Aufrechterhalten
eines Glimmentladungsplasmas in einem Plasmaentladungsraum, gemäß Anspruch
23.
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Gemäß einem
vierten Aspekt wird das Verfahren angewendet zum Behandeln einer
Oberfläche eines
Körpers,
der sich in dem Entladungsraum befindet, wie etwa eine Substratoberfläche eines
Fotofilms, durch Aussetzen der Oberfläche zu dem Plasma, das durch
die Anordnung der Erfindung wie vorstehend beschrieben erzeugt wird.
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Die
Lehren dieser Erfindung können
bei der Materialverarbeitung und/oder Oberflächenbehandlungsprozessen in
vielen Industrien verwendet werden. Sie können für alle Arten von Oberflächenbehandlungen
verwendet werden, unter welchen Säubern und Aktivieren von Oberflächen, Bedampfen wie
etwa plasma-gestütztes
chemisches Bedampfen (PECVD) usw. sind. Die Lehren dieser Erfindung
sind ebenso dazu geeignet, zum Verbessern der haftenden Eigenschaften
einer Oberfläche
verwendet zu werden, wie etwa Polymeroberflächen, welche in der Fotofilmproduktionsindustrie
angewendet werden.
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Die
vorstehend erwähnten
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind auf die
Behandlung einer Oberfläche
eines Körpers
mit einem Glimmplasma unter atmosphärischen Druckbedingungen (APG)
gerichtet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
welche nur für
erklärende
Zwecke bereitgestellt sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
schematisch eine Grenzfläche zwischen
einer Elektrode und einem Entladungsraum in einer Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 stellt
ein Plasma-Strom-Spannungs-Diagramm eines Plasmas dar, das mit einer Anordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt wird;
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4a bis 4d zeigen
eine Anzahl von Oberflächen
mit leitenden und isolierenden Bereichen.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Anordnung umfasst eine erste Elektrode 1 und eine zweite
Elektrode 2. Eine zu behandelnde Oberfläche 3, zum Beispiel
ein Polymerfilm, wird über
die Oberfläche
der zweiten Elektrode 2 transportiert. Die erste Elektrode
besteht aus einer leitenden Schicht 1, auf welcher ein
dielektrisches Material 5 angebracht ist. Die Oberfläche 3 des
dielektrischen Materials 5, das dem Entladungsraum 7 gegenübersteht,
bildet eine Grenzfläche
mit dem Entladungsraum 7. Eine Vielzahl von leitenden Bereichen 4 wurde
in die Oberfläche 6 der
dielektrischen Schicht 5 eingebettet, so dass die Grenzfläche 6 aus
einer Vielzahl von isolierenden und leitenden Bereichen besteht.
Die Elektroden 1 und 2 sind mit einer Energieversorgung 8 verbunden,
zum Bereitstellen eines elektrischen Felds in dem Entladungsraum 7.
Zum Zweck des Erzeugens eines Plasmas in dem Entladungsraum wurde
eine Gasversorgungseinrichtung 9 zum Zuführen eines Gases
oder eines Gasgemisches unter atmosphärischen Druckbedingungen in
den Entladungsraum 7 bereitgestellt.
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Gase
zum Erzeugen eines Plasmas können aus
einer Gruppe mit Helium, Argon, Stickstoff, Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid
und einer Mischung mit irgendeinem der Gase dieser Gruppe ausgewählt werden.
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2 zeigt
eine Vergrößerung einer
Elektrode, die in einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann. Die Elektrode kann aus einer leitenden Schicht 10 bestehen,
die mit einer (nicht gezeigten) Energieversorgung verbunden werden
kann. Die Elektrode ist mit einer dielektrischen Schicht 11 bedeckt,
welche auf einer Seite an der leitenden Schicht 10 anliegt,
und auf der anderen Seite eine Grenzfläche 13 bereitstellt,
wobei die Grenzfläche 13 dem
Entladungsraum gegenübersteht.
Eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stellen 12 ist auf
der Grenzfläche 13 der
dielektrischen Schicht 11 vorhanden.
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Die
leitenden Stellen 12 können
aus einem Metall oder jedem anderen elektrisch leitenden Metall
bestehen. Wie vom Fachmann anzuerkennen ist, offenbaren die leitenden
Stellen eine Oberfläche
zu dem Entladungsraum, welche eine niedrige Arbeitsfunktion besitzt,
was bedeutet, dass Elektronen, die in der Nähe der Oberfläche der
Stellen 12 vorhanden sind, leicht in den Entladungsraum
freigegeben werden können,
da die Energie, die erforderlich ist, um diese Elektronen von dem
Leiter in den Entladungsraum freizugeben, relativ klein ist. Die
Bereiche 15 zwischen den Stellen 12, welche Bereiche
die isolierenden Bereiche der Grenzfläche bilden, sind durch eine
Ladungsanhäufung
von Ladung in der Nähe
der Oberfläche
der Isolatoren unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, das
in dem Entladungsraum über
der Grenzfläche 13 vorhanden
ist, gekennzeichnet. Aufgrund dieser Ladungsanhäufung wird das elektrische
Feld lokal durch die dichte Ladung an der Oberfläche verstärkt. Die Linien 14 sind
Linien, bei denen das elektrische Potential des elektrischen Feldes
konstant ist. Die (nicht gezeigten) elektrischen Feldlinien, sind
senkrecht zu den Linien 14. Die Linien 14 zeigen
deshalb die Verstärkung
des elektrischen Feldes nur für
erklärende
Zwecke.
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Es
sei angemerkt, dass die Kombination der Stellen 12, die
eine niedrige Arbeitsfunktion besitzen, und das verstärkte elektrische
Feld (wie durch die Linien 14 angegeben) Vorteile bereitstellt,
da die Oberfläche 13 dazu
in der Lage ist, Elektronen effektiv durch die Stellen 12 freizugeben,
während
die Bereiche 15 das elektrische Feld verstärken und
dadurch die Elektronen an den Stellen 12 anregen, um in
dem Entladungsraum einzutreten. Tatsächlich wird aufgrund des verstärkten elektrischen
Feldes die Potentialsperrschicht zwischen den leitenden Bereichen 12 und
dem Entladungsraum verringert. Eine Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung
ist deshalb effizienter beim Freigeben von Elektronen als eine Oberfläche mit
nur einem leitenden Material oder eine Oberfläche mit nur einem isolierenden
Material. Es liegt an der Kombination der Eigenschaften von Leitern
und Isolatoren, dass die Effekte der vorliegenden Erfindung erreicht
werden.
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Vorzugsweise
werden die leitenden Eigenschaften des Dielektrikums ausgewählt, so
dass ein Verlust von Ladung durch Ableitung von dieser eliminiert
oder auf ein absolutes Minimum gebracht werden kann, da dies zur
Instabilität
des Plasmas beiträgt.
Gute Ergebnisse wurden unter Verwendung dielektrischer Materialien
erreicht, mit einer Leitfähigkeit,
welche gleich oder kleiner als 10–10 Ω–1cm–1 ist, speziell
dielektrischer Materialien mit einer Leitfähigkeit, die kleiner ist als
10–12 Ω–1cm–1,
zum Bilden der isolierenden Bereiche.
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Die
Größe der Strukturen,
Stellen und Bereiche an der Grenzfläche werden vorzugsweise derart ausgewählt, dass
eine ausreichende Ladung vorhanden ist, um ein Plasma zu erzeugen.
Gute Ergebnisse wurden unter Verwendung von Strukturen, Stellen und
Bereichen erreicht, mit Dimensionen in dem Bereich von 1 nm und
einem mm. Es sei angemerkt, dass Bereiche dieser Dimension keine
praktischen Schwierigkeiten während
des Herstellungsprozesses aufwerfen.
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Diese
Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von dielektrischen
Materialien mit diesen Eigenschaften und/oder Dimensionen der Strukturen,
Stellen und Bereiche wie vorstehend erwähnt beschränkt; Die angegebenen Bereiche
sollten als Beispiele betrachtet werden.
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3 zeigt
ein Plasma-Strom-Spannungs-Diagramm eines Experiments, das mit einer Elektrode
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgeführt
wird. Die vertikale Achse links 22 zeigt den Plasmastrom
in mA. Die vertikale Achse rechts 23 zeigt die an die Elektroden
angelegte Spannung in V. Auf der horizontalen Achse 24 ist
die Zeit in μs
gezeigt. Die Sinuskurve 20 ist die an die Elektroden angelegte Spannung
und Kurve 21 ist der Plasmastrom.
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Das
Experiment wurde unter Verwendung einer ähnlichen Anordnung, wie in 1 gezeigt,
ausgeführt.
Eine der Elektroden innerhalb dieser Anordnung war mit einer dielektrischen
Schicht von PET mit einer Dicke von ungefähr 200 μm bedeckt. Die dielektrische
Schicht wurde dann mit einer Schicht von NiCr mit einer Dicke von
ungefähr
100 nm überzogen,
unter Verwendung physikalischer Bedampfung. Die Elektrode wurde
in der Anordnung derart platziert, dass die NiCr-Schicht dem Entladungsraum
gegenüber
stand. Die andere Elektrode in der Anordnung wurde mit einer dielektrischen
Schicht von PEN mit einer Dicke von ungefähr 100 μm überzogen.
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Die
dielektrische Sperrschicht-Entladungskonfiguration, die durch die
vorstehend erwähnte
Anordnung gebildet wird, wurde zuerst in einen Vorbehandlungsprozess
verwendet, der nötig
war, um eine Vielzahl von Rissen in der NiCr-Schicht zu erzeugen. Die
Vielzahl von Rissen in der NiCr-Schicht war notwendig, um die darunter
liegende dielektrische Schicht von PET freizulegen. Deshalb, nach
der Vorbehandlung der Elektrode, die mit einer Schicht von PET und
einer Schicht von NiCr bedeckt ist, stellte die Elektrode eine Grenzfläche mit
dem Entladungsraum bereit, wobei die Grenzfläche aus abwechselnd leitenden
und isolierenden Bereichen bestand, gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das
Plasma entsprechend dem Plasma-Strom-Diagramm von 3 wurde
unter Verwendung eines Lückenabstandes
zwischen den Elektroden von 1,7 mm erzeugt, während die angelegte Spannung
eine Amplitude von ungefähr
4,5 kV hatte. Der Entladungsraum war mit Luft bei atmosphärischen
Druckbedingungen bei Zimmertemperatur (ungefähr 300 K) gefüllt. Es
wurde beobachtet, dass die Durchschlagspannung in der Luft bis zu
einem Wert der Hälfte
des Startwerts bemerkenswert abgenommen hat.
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Die
Spitzen 25 und 26 der Plasma-Strom-Kurve 21 sind
relativ glatt als verglichen zu den Plasma-Strom-Spitzen, die im
Falle einer (nicht gezeigten) Strahlbildung bzw. „streamer
formation" erreicht
worden wären.
Eine Plasma-Strom-Kurve
einer Strahlbildung bzw. „streamer
formation" offenbart oft
starke Spitzen von kurzer Dauer. Wie in 3 gesehen
werden kann, besteht die Plasma-Strom-Kurve 120, die in 3 gezeigt
ist, aus Spitzen 25 und 26, welche eine relativ
lange Dauer besitzen (in der gleichen Ordnung der Dauer einer halben
Periode der angelegten Spannung) und umfasst eine Vielzahl von Rauschspitzen,
die den Hauptspitzen 25 und 26 überlagert
sind.
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5 zeigt
die Ergebnisse von Beobachtungen des Plasmaverhaltens mit einer
Hochgeschwindigkeitskamera. Die Hochgeschwindigkeitskamera nimmt
eine Anzahl von Musterlinienabtastungen während einer Plasmaentladung
auf, und stellt diese Musterlinienabtastungen zusammen sequentiell
in die vertikale Richtung beginnend von oben, um ein Bild wie in 5 zu
bilden. Deshalb entspricht die vertikale Richtung der Dauer der
Messung, wobei in dem vorliegenden Fall eine Abtastung alle 15 ms
vorgenommen wurde. Die Lichtabtastungen wurden durch Integrieren
des Lichts, das in dem Entladungsraum vorhanden ist, parallel zu
dem elektrischen Feld erreicht. Der Entladungsraum war mit Luft
gefüllt,
und das Plasma wurde unter Verwendung einer Kathode, die mit einer
Hybridschicht von NiCr und PEN bedeckt war, erzeugt, gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Lückenabstand
zwischen den Elektroden, die den Entladungsraum bilden, war 1,7
mm und die Frequenz der AC-Spannung,
die an die Elektroden angelegt wurde, war 11,8 kHz. Die Beobachtungen weisen
auf eine diffuse Glimmentladung in der gesamten Elektrodenlücke hin.
Dies wird ebenso durch das Licht, das mit einer schnellen Fotoverstärkerröhre (PMT)
ausgesendet und erfasst wird, bestätigt.
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4a bis 4d zeigt
eine Anzahl von möglichen
Oberflächenkonfigurationen
mit einer Vielzahl von leitenden und isolierenden Bereichen, welche
abwechselnd angeordnet sind. 4a zeigt
eine Oberfläche 30,
welche aus einer isolierenden Oberfläche 32 besteht, die
zum Beispiel ein Dielektrikum wie etwa PEN oder PET sein kann, worauf
ein leitendes Gitter 31 platziert wurde, welche zusammen
die Grenzfläche 30 bilden.
Es sei angemerkt, dass durch Verwenden des leitenden Gitters in
Kombination mit der isolierenden Schicht 32 eine homogene
Verteilung von quadratischförmigen
isolierenden Bereichen zu dem Entladungsraum hin offenbart ist.
Es sei weiter angemerkt, dass die Grenzfläche 30 so aus einer
leitenden Schicht konstruiert sein kann, auf welche ein isolierendes
Gitter platziert wird.
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4b zeigt
eine andere Konfiguration der Grenzschicht 35, wobei eine
Vielzahl von leitenden scheibenförmigen
Stellen homogen über
eine isolierende Oberfläche 37 verteilt
ist. In 4c, besteht die Grenzfläche 40 aus einer
Schachbrettkonfiguration und quadratisch geformten leitenden Stellen 41 und
isolierenden Bereichen 42. Es sei angemerkt, dass diese
Konfiguration eine homogen verteilte gleichmäßige Menge von leitenden und
isolierenden Bereichen bereitstellt, welche abwechselnd angeordnet
sind, wobei die Gesamtoberfläche
der leitenden Bereiche und die Gesamtoberfläche der isolierenden Bereiche
gleich ist.
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4d zeigt
eine Konfiguration, wobei eine Vielzahl von größeren und kleineren leitenden
Bereichen 46 auf einer isolierenden Oberfläche 47 eingerichtet
sind, um die Grenzfläche 45 zu
bilden. Die Grenzfläche 45 kann
zum Beispiel leicht durch Aufsprühen
oder Sputtern eines leitenden Überzugs
auf die isolierende Oberfläche
konstruiert werden, und stellt deshalb einen effizienten Weg zum
Herstellen einer solchen Grenzfläche
bereit.
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Es
ist anzuerkennen, dass viele Modifikationen und Variationen der
vorliegenden Erfindung angesichts der vorstehenden Lehren möglich sind.
Es ist deshalb zu verstehen, dass innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche, die
Erfindung anders als speziell vorstehend beschrieben umgesetzt werden
kann.