WO2011086186A1 - Plasma- or ion-based system for producing coatings on fluoropolymers, said coatings having good adhesion - Google Patents

Plasma- or ion-based system for producing coatings on fluoropolymers, said coatings having good adhesion Download PDF

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WO2011086186A1
WO2011086186A1 PCT/EP2011/050552 EP2011050552W WO2011086186A1 WO 2011086186 A1 WO2011086186 A1 WO 2011086186A1 EP 2011050552 W EP2011050552 W EP 2011050552W WO 2011086186 A1 WO2011086186 A1 WO 2011086186A1
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coating
plasma
substrate
carbon
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PCT/EP2011/050552
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Markus Kahn
Juergen M. Lackner
Wolfgang Waldhauser
Paul Hartmann
Andreas Rudorfer
Stefan Koestler
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Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/50Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
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    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2327/00Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
    • C08J2327/02Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08J2327/12Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms

Definitions

  • the invention relates to a method for adherent deposition of a coating on fluoropolymers.
  • the invention relates to a layer arrangement. Furthermore, the invention relates to a device or coating system for adherent deposition of a coating on fluoropolymers.
  • Fluoropolymers are plastics with strong carbon-fluorine bonds.
  • PTFE polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethene, Teflon®
  • PFA perfluoroalkoxylalkane
  • FEP fluorinated ethylene-propylene
  • PVF polyvinyl fluoride
  • PTFE Polyvinylidene fluoride
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • Plasmas In the latter technique, the surface is attacked by ions and atoms with kinetic energy.
  • the application of plasmas is carried out using process gases many times in coarse, fine or high vacuum (that is, process pressures ⁇ 10 mbar), various
  • Kinetic particle energies in the range of 1 eV to 10 eV correspond to the binding energies of single atoms in the solid state. The particles crowd into already existing atomic ones
  • the particles release their energy to individual solid atoms and are decelerated. However, until complete standstill, the particles have traversed distances of up to several tens of nanometers in the solid state (depending on the ion species, the material of the solid, etc.). The incorporation of the decelerated atoms leads to
  • radicals in reactive plasmas can react with the solid surface and thus chemically chemically surface
  • Kereszturi et al. / Surface & Coatings Technology 202 (2008) 6034-6037 discloses the displacement of fluorine by carbon on the PTFE surface after treatment with a 1 keV saddle field fast atom source with hydrogen, helium and nitrogen. Nitrogen ion treatments with up to 20 keV energy were also reported by Zhang et al. (Zhang J. Z. et al., Surface & Coatings Technology 187 (2004) 250-256), where the otherwise very time-dependent, rapidly recovering activation effects for several months could be detected.
  • a coating usually a metal (Cu, Al, Ti, etc.) or a metal compound (metal nitrides, metal oxides, etc.) can subsequently be deposited on the activated surface by means of a vacuum coating method become .
  • Vacuum coating methods are generally in Physical Vapor Deposition (Physical Vapor Deposition, PVD) and Chemical Vapor Deposition (CVD) are different. While in PVD processes the coating source is a solid (target) from which atoms are removed (vaporized), in CVD processes the process gas is the source of the atoms to be deposited. In the field of coating plastics, a variety of vacuum deposition techniques are used (thermal vapor deposition, magnetron sputtering, pulsed laser deposition, arc evaporation, plasma activated CVD (PACVD, PECVD), plasma polymerization, etc.). In addition to the process variant of PVD processes the coating source is a solid (target) from which atoms are removed (vaporized), in CVD processes the process gas is the source of the atoms to be deposited. In the field of coating plastics, a variety of vacuum deposition techniques are used (thermal vapor deposition, magnetron sputtering, pulsed laser deposition, arc evapor
  • plasma pretreatment in vacuum also involves combinations of chemical pretreatment and (electro) chemical
  • Methane plasmas have been used (US Pat. No. 6,057,414), inter alia, for the partial and partial adhesion of copper and gold layers to PTFE surfaces
  • Carbon ion plasmas have been used in the plasma immersion ion implantation.
  • a method for adherently depositing a coating on a fluoropolymer comprising a fluoropolymer-containing substrate having a carbonaceous (and
  • Plasma-activated chemical vapor deposition process (PACVD, PECVD) is coated, and the plasma is formed from plasma particles having a mean (for example, kinetic or potential) energy in a range between about 50 eV and about 3000 eV by means of ion source (s).
  • the half-width of the energy distribution can be between about 20 to 400 eV, rising with increasing average energy.
  • an apparatus for adherently depositing a coating on a fluoropolymer comprising a
  • a coating chamber adapted for coating a fluoropolymer-containing substrate with a carbon-containing layer by means of a plasma, and a controller for forming the plasma from plasma particles having a mean energy in a range between about 50 eV and about 3000 eV
  • a layer assembly comprising a substrate comprising a fluoropolymer, a carbonaceous coupling layer on the substrate, and a functional layer on the substrate
  • Adhesive layer has.
  • adheresive-resistant describes, in particular, a coating which is protected from undesired detachment from the substrate during normal use by a user, and an adhesive coating can therefore be used in particular if a layer arrangement is used as intended the functional layer is protected against unwanted detachment from the adhesion-promoting layer and / or the adhesion-promoting layer from undesired detachment from the fluoropolymer substrate. withstand.
  • crosshatching can be used to check a deposited layer on a
  • Fluoropolymer substrate a destructive test can be performed in which a grinder through the layer to the cutting device with a cutter
  • Base material is cut. Subsequently, a tape test is carried out by means of defined adhesive tapes in order to determine solubilizing layer particles.
  • fluoropolymer is understood in particular to mean a polymer, in particular a plastic, which contains fluorine atoms, and a substrate containing a corresponding fluorine atom can be monosubstituted or polysubstituted.
  • plasma is understood to mean an aggregate state in which a gas consists partly or even completely of free charge carriers such as ions or electrons.
  • a partially ionized plasma can be regarded as a mixture of neutral and charged particles, a completely ionized plasma denotes a state of aggregation in which only charged particles are present
  • the plasmas can consist of charged ions, neutral particles and energetically excited neutral particles (that is, with kinetic energy or with excited, at higher energy levels
  • the proportion of ionized particles can be between about 5% and 20%.
  • Higher process gas pressures can lead to increased transfer of ionized particles to energetically excited particles by recombination with electrons in the plasma.
  • This process can be used mainly with gridless ion sources (eg, anode-layer-source and end-hall-source types) according to one embodiment of the invention, to achieve neutralized plasmas for material surface modification and coating.
  • a "plasma of plasma particles with a mean energy of a certain value” is understood in particular to mean a plasma which, at the designated energy value, is or is at its maximum in the
  • Plasma particle number distribution has. For example, as shown in Figure 2, for a plasma, the energy of plasma particles may be plotted against the number of plasma particles having a corresponding energy, such curve usually having a maximum. This maximum then defines the mean energy of the plasma particles of the plasma in this sense.
  • the plasma particles may be generated by a plasma source and impinge on the substrate over a large area, thus not focused on a small spot on the substrate.
  • the plasma particles may be from different directions, i. not directed along one
  • a divergence of the plasma particle beam emerging from the plasma source may be +/- 25 ° (determined according to own measurements on anode-layer source ion sources based on the layer thickness distribution
  • the plasma particles may be positively charged and accompanied by electrons, which on average charge the charges
  • the plasma particles may exit from an extended region of the plasma source, such as an exit slit or exit slit, which extended region may, for example, have an extent of the order of magnitude of expansion of the substrate.
  • the plasma source may not have particle optics for focusing the plasma particles.
  • the plasma source may generate a magnetic field to generate the plasma particles.
  • the plasma particles may be generated in an anode layer of the plasma source and have energy dependent on a location of production. A half-width of the energy distribution of the plasma particles may be between 10 eV and 400 eV (depending on the average energy, see above).
  • the plasma may in particular contain carbon ions, hydrocarbon ions and / or excited hydrocarbon molecules or carbon hydrogen radicals.
  • a “functional layer” is understood as meaning a layer which provides an actual useful function of a layer arrangement and can be securely fastened to the substrate by means of an adhesion-promoting layer, but does not necessarily have to Such a functional layer is determined by the intended use of the layer arrangement. This can, for example, when using the layer arrangement as a medical implant biocompatible property and an additional
  • the layer arrangement includes components of mechanical and plant engineering as well as parts subject to wear in general, the functional layer, for example, having low coefficients of friction and / or being highly resistant to wear.
  • Plasma generated by ion and / or plasma sources with, for example, about 50 V to about 5000 V potential difference between the cathode and anode (acceleration voltage) is formed.
  • the plasma particles with, for example, about 50 eV (electron volts) to about 3000 eV of kinetic energy and / or ion energy can be deposited on the fluoropolymer.
  • Fluoropolymers such as PTFE before coating, which reduces the associated environmental impact
  • a functional layer of the layer assembly may be formed by any vacuum deposition process.
  • the functional layer can be formed by means of chemical vapor deposition (CVD) .It is also possible to use the functional layer by means of plasma-assisted chemical vapor deposition
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • PACVD plasma activated chemical vapor deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • Vakuumabscheideclar be used to form the functional layer, in which case, for example, thermal evaporation method (also called evaporation method),
  • Electron beam evaporation pulsed laser deposition (PLD), arc evaporation, molecular beam epitaxy, sputtering, and
  • Ion beam assisted coating process "ion beam assisted When using PVD processes for depositing the functional layer, in addition to the substrate to be covered, fluoropolymer with previously applied adhesive interlayer should also be coated with the solid
  • Vacuum container to be placed.
  • the functional layer can be applied in an additional step outside the vacuum coating device, for example with the aid of inkjet printing or other technologies, in a planar or structured manner onto the pretreated fluoropolymer.
  • the functional layer by means of a
  • Liquid coating process such. B. dip coating
  • the functional layer can be either over the entire surface or by the use of z. B. one or more masks, ie. exclusively applied to predetermined by the mask locations or areas.
  • the functional layer in a structured manner i. E. only on predefined locations of the substrate, are still a number of so-called direct structuring.
  • Direct structuring methods are in particular inkjet printing and screen printing, but also gravure, offset printing, etc.
  • the plasma is formed from plasma particles with an average energy value between 50 eV and 1500 eV. It comes to too small particle energies only to adsorption and condensation processes at one
  • Solid surface or for incorporation of particles in atomic Surface structures of a solid metal, glass, ceramic,
  • the solid state lattice of the substrate can be damaged undesirably.
  • the amount of energy required for a particular solid for adsorption, implantation, etc. generally depends on its physical and chemical composition.
  • an energy maximum between 50 eV and 1500 eV, ie the maximum of the energy distribution of a plasma source at one of these values, is particularly advantageous for forming adherent layers on a fluoropolymer substrate.
  • the present inventors have also found that with an available ion / plasma gun (eg, according to the physical principle of an "end-hall source”), in particular an energy range between 50 eV and 150 eV can be efficiently covered, and that with another ion plasma gun (for example, according to the physical principle of an "anode layer source”), a range between 400 eV and 1500 eV can be efficiently covered. It can be one such example
  • Ion plasma guns are used. Alternatively, the use of both of these ion plasma guns is possible. More generally, one or more different ion plasma guns may be in one
  • Coating chamber can be used according to an embodiment of the invention. Depending on the desired properties of a
  • Fluoropolymer substrate thus provides an advantageous energy range of plasma particles to form an adherent coating.
  • the fluoropolymer-containing substrate may be masked coated with the carbon-containing layer.
  • the carbonaceous layer may be formed after, for example, using a mask (eg, shadow mask) or mask layer (eg, masking resist), the substrate has been desirably patterned. After a full-surface deposition of a carbon-containing layer, the mask layer can then be stripped off, for example by stripping, leaving behind a masked layer of the carbon-containing layer, which can then optionally serve as a seed layer for the subsequent growth of an adherent functional layer.
  • a functional layer can be deposited over the entire area, which then adheres only to the adhesion-promoting layer to a sufficient and lasting extent, or it can also be deposited before stripping the masking layer and this functional layer, which then of areas outside the structuring this
  • Masking layer can be removed with the stripping.
  • Even largely chemically inert can be used
  • Fluoropolymers of an adherent coating are made accessible by a selected energy range is used by the plasma particles.
  • surface particles can first be removed by elastic shocks. Particles may then be implanted to penetrate the surface, bonding to and in near-surface regions. Activation of the surface may be accomplished, for example, by micro-roughening or by removal of impurities, for example of an organic nature. With a carbon-containing plasma, generated from
  • a primer layer can be formed.
  • Vakuumabscheide vide are formed on the adhesion promoting layer, wherein the adhesion promoting layer can serve as a link between the substrate and the functional layer to be applied.
  • a suitably formed layer arrangement may be subjected to a post-treatment, for example structuring or providing the surface with one or more functional layers. It is also possible to store lubricants, or to polish for example by means of glass bead blasting.
  • a thickness of the functional layer can be, for example, in a range between 50 nm and 3 mm, in particular between 50 nm and 100 ⁇ m, more particularly between 500 nm and 10 ⁇ m.
  • the fluoropolymer workpiece to be coated may either be statically located in front of the ion / plasma source or dynamically moved through the plasma one or more times (many times).
  • the fluoropolymer can be biased with a bias voltage (DC, RF, DC pulsed).
  • ion sources are applicable according to the principle of "end-source-source” and “anode-layer-source” ion generation, but it is also possible to use all other non-focused ion sources which generate the required kinetic and ion energies in plasmas can be used.
  • various other vacuum coating methods for example from the PVD or CVD process group
  • Coatings for providing further, for example, functional layer properties are provided.
  • highly adhesive coatings with layer thicknesses of between 1 nm and 50 ⁇ m can be applied to fluoropolymers.
  • layer thicknesses of the carbon-containing coating are set between 5 nm and 2000 nm thickness.
  • Ion sources represents a decisive, advantageous process step.
  • Ion and plasma sources can be considered as components in vacuum chambers, which have a gas flow (reactive or inert gases) flowing through them through the application of electrical
  • ion and plasma sources can be used, for example Plasmatrons, Kauffmann ion sources, (final) Hall ion sources, Penning ion sources, Saddle Field ion sources, radio frequency and microwave ion / plasma sources.
  • Electron resonance sources hollow cathode sources, anode layer ion sources and others.
  • ion sources can be categorized into two types: lattice ion sources and latticeless ion sources.
  • Gridless ion sources offer low maintenance and low parts costs, but no ion beam with ions from a narrow energy range compared to ion sources with grid.
  • gaseous ion sources offer low maintenance and low parts costs, but no ion beam with ions from a narrow energy range compared to ion sources with grid.
  • Hydrocarbons in process gases for ion sources occur at the workpiece surface for the deposition of carbonaceous material
  • Coatings which include atoms and molecules from others
  • Process gases and process gas components may contain (for example, hydrogen).
  • the hydrocarbon can be passed through the source and / or partially dosed after the exit of an ion beam.
  • Such coating processes can be used according to the invention particularly advantageously in the abovementioned particle energy range for fluoropolymers technically or scientifically.
  • the advantage of using higher energy hydrocarbon plasmas on fluoropolymer surfaces (and especially on PTFE) is the
  • Surface modification includes the following non-doped and doped hydrogen-containing carbon layers: diamond-like carbon (aC: H ("amorphous hydrogenated diamond-like carbon"), ta-C: H (tetrahedral amorphous hydrogenated diamond-like carbon "), polymeric like carbon, wherein as doping / alloying elements chromium, silicon, titanium,
  • the content of each of these doping / alloying elements may be between 0 and 50 atomic percent.
  • those with silicon and / or nitrogen are used as doping element greater than 0 and less than or equal to 30 atomic percent content.
  • Advantageous for the direct coating with carbon-based layers is a cleaning or activation of the plastic surface with, for example, Ar and / or O 2 and / or N 2 before the treatment step in the hydrocarbon-containing plasma / ion beam.
  • Ar and / or O 2 and / or N 2 before the treatment step in the hydrocarbon-containing plasma / ion beam.
  • Coating technologies or vacuum coating technologies take place in order to apply to the high-adhesion, for example 1 nm to 50 ⁇ m thick carbon-containing coatings, further highly adhesive functional surface materials in the same or different layer thickness range.
  • These functional coatings can either be applied directly to the carbonaceous coating or via various intermediate layers (gradient layers,
  • Multilayer coatings, etc. are applied to improve the adhesion.
  • the selection of the necessary coating materials includes all chemical elements and compounds, which by means of
  • Coating process for example from the field of PVD and CVD coating process
  • these other coatings can either
  • Monolayer layers of a single material, gradient layers or multilayer layers of different coating materials ie, all known PVD and CVD depositable layers in stoichiometric and non-stoichiometric chemical
  • composition Composition
  • the selection of coating technologies applicable to the application of these coatings includes all PVD and CVD coating processes.
  • the coating adhesion was tested on the fluoropolymers by means of two methods (Scotch tape test / adhesive tape withdrawal test, cross-cut test), in all cases and in both test methods the best possible adhesion values for the carbonaceous coatings alone, but also in combination with coatings deposited thereon after optimization the coating parameters can be detected.
  • Possible geometric shapes of the fluoropolymers for the plasma / ion beam treatment include planar, but also
  • the fluoropolymer can be used, for example, as a precursor, intermediate or end product of a production chain.
  • the surface treatment is appropriate when used
  • the fluoropolymer may, for example, belong to one of the following groups: polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethene, PTFE),
  • PFA Perfluoroalkoxylalkane
  • FEP fluorinated ethylene-propylene
  • PVDF Polyvinylidene fluoride
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • the above described method for depositing a coating can be carried out at an absolute pressure between 1 10 "5 and 10 mbar with one or more process gases.
  • These process gases can be provided for the deposition of carbonaceous compounds and are composed of mixtures of inert carrier gases, gaseous / hydrocarbon hydrocarbons as carbon carrier gas and - in the case of doping / alloy - of
  • Doping / alloy Prekursoren that is, the corresponding doping elements containing gases
  • All process gases can be supplied to the coating plasma in vapor or gaseous phase.
  • the process gases can be the plasma and / or
  • Ion source are metered.
  • the method is performed, for example, with plasma / ion sources having continuous or pulsed mode of operation.
  • ion sources of the type (physical principle) "anode layer ion source” and "end-Hall source” are suitable for the described
  • the temperature of the fluoropolymer for example, is between-150 ° C and + 300 ° C during the coating.
  • Thermal loading of the fluoropolymer may occur during the
  • Coating this can be optionally cooled. In addition, however, the operation without cooling is possible and is preferably applied. Heating by means of the plasma or by heating elements is also possible.
  • the coating can be applied in all PACVD / PECVD and / or PVD coating systems (batch coating systems as well as continuous coating plants).
  • the functional layer may be provided as a wear protection layer, for example for hardening surfaces of tools.
  • the functional layer may be provided as a wear protection layer, for example for hardening surfaces of tools.
  • the functional layer may be a biocompatible layer, for example for medical applications or
  • Heart valve implant are formed. It is also possible,
  • a sensor layer as a functional layer on an adhesion-promoting layer, for example for chemosensors, biosensors, temperature sensors, pressure sensors, etc.
  • an adhesion-promoting layer for example for chemosensors, biosensors, temperature sensors, pressure sensors, etc.
  • Such a sensor layer can then be protected against undesired detachment and is therefore also suitable for detecting
  • the functional layer may be an electrically conductive layer, for example a structured metal layer for providing desired electrical paths in an electronic component.
  • This electrically conductive layer can then be protected from undesired detachment from the substrate by means of the adhesion-promoting layer and can also be protected by the
  • carbonaceous primer layer are electrically isolated from the environment. It is also possible that the functional layer is a for Example is optical or electromagnetic reflection layer, such as a mirroring layer for optical applications.
  • FIG. 1 shows a cross section of a layer arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows an energy distribution of different particles of a plasma source which can be used for a method and an apparatus according to an exemplary embodiment of the invention (according to [Veeco, Technical Manual ALS340L Anode Layer Source, Fort Collins (CO), 2003]).
  • FIG. 3 shows a schematic view of a device for the adhesive deposition of a coating on a fluoropolymer according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Embodiments of the present invention describe methods of ion treatment and ion assisted vacuum deposition with vacuum ion or plasma sources for applying highly adherent coatings to fluoropolymers.
  • the coatings consist for example of pure, undoped or doped / alloyed, hydrogen-containing carbon in the form of
  • Diamond-like carbon (a-C: H, ta-C: H) and polymer-like carbon. They may be functional layer and / or adhesive interlayer for further depositable PVD or CVD coatings.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a layer arrangement 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the layer assembly 100 includes a polymeric substrate 100 that has a fluorine component and is therefore referred to as a fluoropolymer.
  • a fluoropolymer On the Teflon substrate 100 is a carbonaceous
  • Adhesive layer 102 applied by means of a
  • Plasma process is generated with a selected energy of the plasma particles with a maximum or center of gravity of the plasma particle energy between 50 eV and 3000 eV.
  • a functional layer 104 is vacuum-deposited, which may have different technological properties (biocompatible, electrically conductive, wear-resistant, low-friction, sensory-active, etc.).
  • FIG. 2 shows a diagram 200 with an abscissa 202, along which an energy of plasma particles, generated by means of a plasma or ion source, is plotted. Along an ordinate 204 is plotted how many plasma particles of a certain energy are present in a plasma (pond density).
  • the curve 206 schematically shows an energy distribution of a plasma particle ensemble of a plasma or
  • FIG. 3 schematically shows an apparatus for adherently depositing a coating on a fluoropolymer substrate in accordance with FIG.
  • FIG. 3 for the sake of clarity, only a part of components is shown which are in such a way
  • the apparatus 300 includes a coating chamber 302 configured to coat the fluoropolymer substrate 100 with a carbonaceous layer, shown at 102 in FIG. 1, by means of a plasma or an at least partially ionized gas 306.
  • a control unit 304 controls the operation of the apparatus 300 and allows plasma particles having an average energy on the order of 300 eV to be used to form the plasma 306. For example, FIG In preliminary tests it is determined with which operating procedure or parameters the components described individually below must be controlled in order to ensure that the maximum (see reference numeral 208) of the energy curve remains within a desired range and, in particular, to determine the maximum of a current energy distribution, the control unit 304 can also perform sensor measurements of energy distribution sensitive parameters in the coating chamber 302. By comparing actual values with, for example, stored in a memory setpoint values, the control 304 determine the current energy maximum and may possibly Readjust control parameters of device 300 to adjust a desired energy maximum.
  • the interior of the coating chamber 302 may be brought to a desired negative pressure, as measured by pressure sensors 351 in various areas of the apparatus, by means of a single or multi-stage vacuum pumping system 350 controllable by the control unit 304, with control of pressure by a variety of means
  • Methods eg pump speed, throttle valve, gas addition, etc. can be done.
  • the generation of the plasma takes place by means of one or more ion / plasma sources 308 which, in principle, at least partially ionize a gas flowing through the source or a gas located in front of the source by applying electrical voltage.
  • the ion / plasma sources 308 are by one or more
  • DC pulsed or alternating current of definable frequency (low frequency, medium frequency, radio frequency, radio frequency) to the ion / plasma sources 308 for exciting gas ionization.
  • definable frequency low frequency, medium frequency, radio frequency, radio frequency
  • Another power supply 312 may be used to apply
  • a temperature of the holder 314 or the walls and internals of the coating chamber 302 may by means of a
  • Temperature control unit 316 can be achieved by heating or cooling
  • the control unit 304 not only controls the temperature control unit 316 as well as the power supply (s) 310, 312 for the ion / plasma source 308 and the substrate holder 314 but also valves 318, the
  • Process liquid container 320 (with different process gases and / or process liquids) via gas and / or
  • Liquid vapor metering 319 connect with the coating chamber 302.
  • the addition of the process gases, process vapors can be controlled via the valves 321 into the ion / plasma source 308, directly into the coating chamber 302 or simultaneously 302 and 308, wherein the outlet openings in the coating chamber 302 can be chosen freely, but it is preferable , reactive
  • Process gases if not passed through the ion / plasma source 308 itself, are introduced into the coating chamber 302 near it.
  • an input / output unit 324 By means of an input / output unit 324, a user
  • control unit 304 communicate bidirectionally with the control unit 304, in particular transmit control signals to the control unit 304 or perceive parameters or results of a coating process via an output screen.
  • FIG. 3 it is also possible to have several same or
  • plasma generation units or ion sources it is also possible for plasma generation units or ion sources to use further coating methods from the group of PVD systems. and CVD processes in the same coating chamber in
  • the fluoropolymer substrate (s) charged into the coating chamber 302 on the supports 314 may either remain static or be manipulated dynamically, with certain movements (rotations, linear displacements, etc.) and travel speeds.
  • Example 1 Surface activation and modification of PTFE by means of anode-layer ion source with high-adhesion carbonaceous
  • PTFE components with a flat or three-dimensional shape (but in this embodiment without undercuts) of a size of 360 mm height and 200 mm width are treated by means of a linear anode layer ion source to apply a high-adhesion carbon coating on one side.
  • the PTFE components are charged in the vacuum chamber and brought to the required starting pressure of the coating between 5-10 "6 and 1-10 " 4 mbar by a two-stage pumping system. During coating, the PTFE components are continuously attached to the substrate plate
  • the anode-layer ion source with acetylene (possibly under Addition of argon) acted upon.
  • acetylene possibly under Addition of argon
  • pressures between 5- 10 "4 and 5- 10 " 2 mbar in the recipient.
  • the operation of the anode-layer ion source is carried out with 500 V to 3000 V potential difference (anode potential) and currents between 2 mA and 1000 mA. After 30 to 60 minutes treatment time (depending on the gas flow) the desired layer thicknesses for the functional application are achieved.
  • the carbon coating process is stopped by means of the anode-layer ion source after the indicated 30 to 60 minutes treatment time (corresponding for example to 60 nm to 1000 nm layer thickness) and then by means of magnetron sputtering an approximately 1 ⁇ thick
  • Functional layer made of titanium or titanium nitride without gradient transition to the intermediate carbon-adhesive layer of PTFE.
  • Adhesive strength tests for the overall composite layer show the same good results as described in Example 1.
  • “having” does not exclude other elements or steps, and “a” or “an” does not exclude a plurality.

Abstract

The invention relates to a method for depositing a coating on a fluoropolymer, which coating has a good adhesion. According to said method, a substrate comprising a fluoropolymer is coated with a carbon-containing layer by means of a plasma, and the plasma is composed of plasma particles having a mean energy ranging between 50 eV and 3000 eV.

Description

Plasma- bzw. ionengestütztes System zur Herstellung haftfester Beschichtungen auf Fluorpolymeren  Plasma- or ion-based system for the production of adhesive coatings on fluoropolymers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf Fluorpolymeren. The invention relates to a method for adherent deposition of a coating on fluoropolymers.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Schichtanordnung. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung bzw. Beschichtungsanlage zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf Fluorpolymeren. Moreover, the invention relates to a layer arrangement. Furthermore, the invention relates to a device or coating system for adherent deposition of a coating on fluoropolymers.
Fluorpolymere sind Kunststoffe mit starken Kohlenstoff-Fluor-Bindungen. Neben PTFE (Polytetrafluoroethylen, Polytetrafluorethen, Teflon®) gehören zu dieser Gruppe von Polymeren PFA (Perfluoralkoxylalkan), FEP (fluoriertes Ethylen-Propylen), PVF (Polyvinylfluorid), PVDF Fluoropolymers are plastics with strong carbon-fluorine bonds. In addition to PTFE (polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethene, Teflon®) belong to this group of polymers PFA (perfluoroalkoxylalkane), FEP (fluorinated ethylene-propylene), PVF (polyvinyl fluoride), PVDF
(Polyvinylidenfluorid), PCTFE (Polychlortrifluorethylen), etc. Aus dieser Gruppe ist PTFE ein vollfluoriertes Polymer und sehr reaktionsträge. (Polyvinylidene fluoride), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), etc. From this group, PTFE is a fully fluorinated polymer and very inert.
Selbst aggressive Säuren wie Königswasser können PTFE nicht angreifen. Der Grund liegt in der besonders starken Bindung zwischen den Even aggressive acids such as aqua regia can not attack PTFE. The reason lies in the particularly strong bond between the
Kohlenstoff- und den Fluoratomen, da Fluor das Element mit der stärksten Elektronegativität ist. So gelingt es vielen Substanzen (Basen, Alkohole, Ketone, Benzine, Öle) nicht, die Bindungen aufzubrechen und mit PTFE chemisch zu reagieren. Carbon and fluorine atoms, since fluorine is the element with the strongest electronegativity. Thus, many substances (bases, alcohols, ketones, gasolines, oils) fail to break the bonds and react chemically with PTFE.
Dies führt zu Problemen im Bereich der Aktivierung von allgemein This leads to problems in the area of activation of general
Fluorpolymeren und speziell, da technisch in größter Menge angewendet, von PTFE-Oberflächen zur Vorbereitung für Klebungen oder Fluoropolymers and especially, as technically applied in the largest amount, of PTFE surfaces in preparation for bonding or
Beschichtungen. Auf chemischem Weg kann es nur durch die Möglichkeit der Bildung von Alkalifluoriden aus organisch gebundenen Fluoratomen für eine haftfeste Metallisierung vorbereitet werden. Technisch eingesetzt wird dafür Natrium in flüssigem Ammoniak bzw. Naphthylnatrium in Tetra hydrofu ran. Diese chemischen Bindungen haben jedoch nur einen sehr geringen Anteil der Haftung von Metallschichten auf PTFE, der um vieles größere Beitrag beim chemischen Ätzen wird durch die Coatings. Chemically, it can only be prepared by the possibility of formation of alkali fluorides from organically bonded fluorine atoms for a strong metallization. For this purpose, sodium is used industrially in liquid ammonia or naphthyl sodium in tetrahydrofuran. However, these chemical bonds have only one Very low proportion of the adhesion of metal layers to PTFE, which is much greater contribution in chemical etching by the
mechanische Verankerung infolge Kavernenbildung erreicht. Während chemisches Ätzen von PTFE in umweltbedenklichen Bädern abläuft, sind weitaus umweltfreundlichere Prozesse ein mechanisches Aufrauen zur Kavernenbildung (zum Beispiel Sandstrahlen), Behandlung mit Laserstrahlung zur oberflächlichen Umwandlung (US 5,635,243, US 5,643,641), oberflächliche Copolymerisation von Polymerschichten (S . Wu et al . /Polymer 40 (1999) 6955-6964) oder die Verwendung vonachieved mechanical anchoring due to cavitation. While chemical etching of PTFE occurs in environmentally benign baths, much more environmentally friendly processes are mechanical roughening for cavitation (e.g., sandblasting), laser radiation for surface conversion (US 5,635,243, US 5,643,641), superficial copolymerization of polymer layers (S.Wu et al. / Polymer 40 (1999) 6955-6964) or the use of
Plasmen . Bei letzterer Technik erfolgt der Angriff auf die Oberfläche durch Ionen und Atome mit kinetischer Energie. Die Anwendung von Plasmen erfolgt unter Anwendung von Prozessgasen vielfach im Grob-, Fein- oder Hochvakuum (das heißt Prozessdrücke < 10 mbar), verschiedene Plasmas. In the latter technique, the surface is attacked by ions and atoms with kinetic energy. The application of plasmas is carried out using process gases many times in coarse, fine or high vacuum (that is, process pressures <10 mbar), various
Technologien arbeiten auch unter Atmosphärendruck. Technologies also work under atmospheric pressure.
Aus der Literatur (z. B. Rother et al ./ Plasmabeschichtungsverfahren und Hartstoffschichten, Leipzig, Dt. Verl . für Grundstoffindustrie, 1992) ist bekannt, dass sich die Plasmawirkung (d .h ., die It is known from the literature (eg Rother et al., Plasma coating process and hard coatings, Leipzig, Dt. Verl. Für Grundstoffindustrie, 1992) that the plasma effect (i.e., the
Wechselwirkungsvorgänge von Atomen und Ionen) in Abhängigkeit der Energie der Ionen (kinetische Energie und/oder Ionisierungsenergie) beschreiben lässt: Im Bereich thermischer Teilchenenergien (um etwa 0, 1 eV) dominieren Adsorptions- und Kondensationsprozesse freier (Gas- Teilchen an der Festkörperoberfläche, welche für eine In the range of thermal particle energies (about 0, 1 eV), adsorption and condensation processes dominate more freely (gas particles on the surface of the solid, which for one
Oberflächenaktivierung keinerlei vorteilhaft verwendbare Effekte mit sich bringt. Kinetische Teilchenenergien im Bereich von 1 eV bis 10 eV entsprechen den Bindungsenergien einzelner Atome im Festkörper. Die Teilchen drängen sich in bereits bestehende atomare Surface activation does not bring any beneficial effects. Kinetic particle energies in the range of 1 eV to 10 eV correspond to the binding energies of single atoms in the solid state. The particles crowd into already existing atomic ones
Oberflächenstrukturen des Festkörpers (Einlagerung), wobei dabei nur wenige Atome in ihrer Lage verändert werden können . Mit einer Erhöhung auf 10 eV und 1000 eV geben die auf den Festkörper auftreffenden Teilchen ihre Energie an ein ganzes Ensemble von Atomen ab. Dadurch wird die atomare Nahordnung wesentlich verändert. Das Abstäuben („Sputtern", Ablösen einzelner Atome aus dem Volumen oder von der Oberfläche des zu behandelnden Festkörpers) bereits fest eingebundener Atome von der Festkörperoberfläche wird bei Surface structures of the solid (incorporation), whereby only a few atoms can be changed in their position. With a Increasing to 10 eV and 1000 eV, the particles hitting the solid mass give their energy to an entire ensemble of atoms. As a result, the nuclear order is significantly changed. The dusting ("sputtering", detachment of individual atoms from the volume or from the surface of the solid to be treated) already firmly bound atoms of the solid surface is at
Teilchenenergien von einigen 100 eV bis 1000 eV festgestellt. Steigt die Teilchenenergie weiter, werden die Teilchen in den Festkörper Particle energies of some 100 eV to 1000 eV found. As the particle energy continues to increase, the particles become solid
implantiert. Die Teilchen geben dabei in einer Vielzahl von stochastisch ablaufenden Stoßprozessen ihre Energie an einzelne Festkörperatome ab und werden abgebremst. Bis zum völligen Stillstand haben die Teilchen allerdings Strecken von bis zu einigen zehn Nanometern im Festkörper (in Abhängigkeit der Ionenspezies, des Werkstoffs des Festkörper, etc.) zurückgelegt. Der Einbau der abgebremsten Atome führt zu implanted. In a multitude of stochastic processes, the particles release their energy to individual solid atoms and are decelerated. However, until complete standstill, the particles have traversed distances of up to several tens of nanometers in the solid state (depending on the ion species, the material of the solid, etc.). The incorporation of the decelerated atoms leads to
Deformationen des ursprünglichen Atomaufbaus oder -gitters des Deformations of the original atomic structure or lattice of the
Festkörpers. Zusätzlich können Radikale in reaktiven Plasmen mit der Festkörperoberfläche reagieren und so die Oberfläche chemisch  Solid. In addition, radicals in reactive plasmas can react with the solid surface and thus chemically chemically surface
verändern . Sauerstoff-Radikale reinigen die Oberfläche von organischer Kontamination durch Oxidation, können aber auch polare funktionale Gruppe wie C=0, OH und C02H in die Kunststoff Oberfläche einbringen (R. H . Hansen, J.V. Pacale, T. De Benedictis, P. M . Rentzepis, "Effect of Atomic Oxygen an Polymers", J . Polym . Sei, A3 (1965) 2205.) . change. Oxygen radicals purify the surface of organic contamination by oxidation, but can also introduce polar functional groups such as C = O, OH and CO 2 H into the plastic surface (R. H. Hansen, JV Pacale, T. De Benedictis, P. M. Rentzepis, "Effect of Atomic Oxygen on Polymers," J. Polym., See, A3 (1965) 2205.).
Für Fluorpolymere wurde die Anwendung von Plasmen fast ausschließlich für PTFE gezeigt: Niedrigenergetische Plasmen (sog. Plasmabehandlung), zum Beispiel S02-Plasmabehandlung, zum Teil mit H2- Plasmavorbehandlung (J .C. Caro et al . / European Polymer Journal 35 (1999) 1149- 1152; J.C. Caro et al . / Surface and Coatings Technology 116- 119 (1999) 792-795) vermindern die hohe Oberflächenenergie von PTFE vor der Anwendung elektrochemischer Beschichtungsverfahren deutlich, was die Schichthaftung erhöht. Weiteres ist auch die For fluoropolymers, the use of plasmas has been demonstrated almost exclusively for PTFE: low-energy plasmas (so-called plasma treatment), for example S0 2 plasma treatment, partly with H 2 plasma pretreatment (J.C. Caro et al. / European Polymer Journal 35 (FIG. 1999) 1149-1152; JC Caro et al., Surface and Coatings Technology 116-119 (1999) 792-795) reduce the high surface energy of PTFE prior to the application of electrochemical coating techniques clearly, which increases the layer adhesion. Another is also the
Vorbehandlung von PTFE mittels Mikrowellen-angeregtem Argon-Plasma möglich (Andreas Weber, Thorsten Matthee, Abschlußbericht: Pre-treatment of PTFE by means of microwave-excited argon plasma possible (Andreas Weber, Thorsten Matthee, final report:
Verbundprojekt: Umweltverträgliche Verfahren zur haftfesten Collaborative project: Environmentally friendly methods for adherence
Metallisierung von Kunststoffen und deren Einsatz in Metallization of plastics and their use in
elektronisch/mechanischen Funktionselementen; VDI Düsseldorf; 1998). CF4-Plasma vor einer elektrochemischen Palladium-Bekeimung führt zu ähnlichen Haftfestigkeitsergebnissen wie die oben beschriebenen chemischen Aktivierungsmethoden . electronic / mechanical functional elements; VDI Dusseldorf; 1998). CF 4 plasma prior to palladium electrochemical seeding results in similar adhesion results to the chemical activation methods described above.
Die intensivere Wirkung von höher-energetischen Plasmen (sog. The more intense effect of higher-energy plasmas (so-called.
Ionenbehandlungen) zeigten mehrere Autoren für PTFE mittels erhöhter Oberflächenenergie : DE 2457694 offenbart Ionenbehandlung von PTFE mit Sauerstoff und Halogenverbindungen . WO 92/18320 offenbart ionenbehandelte, medizinische PTFE-Katheter. Kerezturi et al . (K. Ion treatments) showed several authors for PTFE by means of increased surface energy: DE 2457694 discloses ion treatment of PTFE with oxygen and halogen compounds. WO 92/18320 discloses ion-treated, medical PTFE catheters. Kerezturi et al. (K.
Kereszturi et al . / Surface & Coatings Technology 202 (2008) 6034-6037) offenbart die Verdrängung von Fluor durch Kohlenstoff an der PTFE- Oberfläche nach Behandlung mit einer 1 keV-Saddle-Field-Fast-Atom- Source mit Wasserstoff, Helium und Stickstoff. Stickstoff- Ionenbehandlungen mit bis zu 20 keV Energie wurden auch von Zhang et al . (J. Zhang et al . / Surface & Coatings Technology 187 (2004) 250-256) beschrieben, wobei die sonst sehr zeitabhängigen, rasch rückbildenden Aktivierungseffekte für mehrere Monate nachgewiesen werden konnten . Bei Anwendung von konventionellen Plasmabehandlungen im Vakuum zur Aktivierung von Kunststoff Oberflächen kann im Anschluss auf die aktivierte Oberfläche eine Beschichtung, meist ein Metall (Cu, AI, Ti, etc.) oder eine Metallverbindung (Metallnitride, Metalloxide, etc.) mittels eines Vakuumbeschichtungsverfahrens abgeschieden werden . Die  Kereszturi et al. / Surface & Coatings Technology 202 (2008) 6034-6037) discloses the displacement of fluorine by carbon on the PTFE surface after treatment with a 1 keV saddle field fast atom source with hydrogen, helium and nitrogen. Nitrogen ion treatments with up to 20 keV energy were also reported by Zhang et al. (Zhang J. Z. et al., Surface & Coatings Technology 187 (2004) 250-256), where the otherwise very time-dependent, rapidly recovering activation effects for several months could be detected. When using conventional plasma treatments in a vacuum to activate plastic surfaces, a coating, usually a metal (Cu, Al, Ti, etc.) or a metal compound (metal nitrides, metal oxides, etc.) can subsequently be deposited on the activated surface by means of a vacuum coating method become . The
Vakuumbeschichtungsverfahren lassen sich generell in Physical Vapour Deposition (physikalische Dampfphasenabscheidung, PVD) und Chemical Vapour Deposition (chemische Dampfphasenabscheidung, CVD) unterscheiden. Während bei den PVD -Verfahren die Beschichtungsquelle ein Feststoff (Target) ist, von welchem Atome abgetragen (verdampft) werden, ist bei CVD-Verfahren das Prozessgas der Lieferant für die abzuscheidenden Atome. Im Bereich der Beschichtung von Kunststoffen werden eine Vielzahl von Vakuumbeschichtungsverfahren eingesetzt (thermisches Bedampfen, Magnetronsputtern, Pulsed Laser Deposition, Lichtbogen-Verdampfen, Plasma-aktiviertes CVD (PACVD, PECVD), Plasmapolymerisation, etc.). Neben der Verfahrensvariante der Vacuum coating methods are generally in Physical Vapor Deposition (Physical Vapor Deposition, PVD) and Chemical Vapor Deposition (CVD) are different. While in PVD processes the coating source is a solid (target) from which atoms are removed (vaporized), in CVD processes the process gas is the source of the atoms to be deposited. In the field of coating plastics, a variety of vacuum deposition techniques are used (thermal vapor deposition, magnetron sputtering, pulsed laser deposition, arc evaporation, plasma activated CVD (PACVD, PECVD), plasma polymerization, etc.). In addition to the process variant of
Plasmavorbehandlung im Vakuum werden vielfach auch Kombinationen von chemischen Vorbehandlungen und (elektro-)chemischer  In many cases plasma pretreatment in vacuum also involves combinations of chemical pretreatment and (electro) chemical
Zwischenabscheidung (zum Beispiel Cu-Ni-Cr Mehrlagenschichten) vor der Vakuumbeschichtung angewendet. Intermediate deposition (for example Cu-Ni-Cr multilayers) applied before vacuum coating.
Für PTFE-Oberflächen wurden Sputterbehandlungen mit Ar- und Cu- Ionen gezeigt, die eine Defluorierung und Deoxidation der Oberfläche bewirken, wodurch Bindungen zwischen den Kupfer- und Kohlenstoff- Atomen möglich sind. Behandlungen im Stickstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoff- Plasma zeigten vor der Kupfermetallisierung von PTFE ähnliche Ergebnisse. Wiederum wird jedoch der Hauptmechanismus der Schichthaftung der mechanischen Verankerung in Mikrorissen For PTFE surfaces, sputtering treatments with Ar and Cu ions have been shown to cause defluorination and deoxidation of the surface, allowing for bonds between the copper and carbon atoms. Nitrogen, oxygen and hydrogen plasma treatments showed similar results before the copper metallization of PTFE. Again, however, the main mechanism of the layer adhesion of the mechanical anchoring is in microcracks
zugeschrieben. Technische Anwendungen der PTFE-Sputtermetallisierung sind für die Leiterplattenmetallisierung (DE 4216940) und für attributed. Technical applications of PTFE sputter metallization are for PCB metallization (DE 4216940) and for
medizinische Implantate (US 5,468,562) beschrieben. Methan-Plasmen wurden (US 6,057,414) verwendet, um unter anderem die Haftung von Kupfer- und Goldschichten auf PTFE-Oberflächen durch teilweise medical implants (US 5,468,562). Methane plasmas have been used (US Pat. No. 6,057,414), inter alia, for the partial and partial adhesion of copper and gold layers to PTFE surfaces
Abscheidung dünner Kohlenstoffschichten im Radiofrequenz-Plasma zu erreichen. Ausreichend hohe Haftung von mittels Niedrigtemperatur-CVD auf PTFE aufgebrachten, sehr dünnen Beschichtungen (~50 nm) konnte von Breme et al . für Titancarbonitrid (F. Breme et al . / Thin Solid Films 377, 378(2000) 755-759) bzw. für Ti, Ta, Nb, Zr und Hf (DE 10026540) gezeigt werden . Ähnliche Resultate wurden von Schiller et al . (T. L. To achieve deposition of thin carbon layers in the radio-frequency plasma. Sufficiently high adhesion of very thin coatings (~ 50 nm) applied by means of low-temperature CVD to PTFE could be achieved by Breme et al. for titanium carbonitride (F. Breme et al., Thin Solid Films 377, 378 (2000) 755-759) or for Ti, Ta, Nb, Zr, and Hf (DE 10026540). Similar results were reported by Schiller et al. (TL
Schiller et al . / Surface and Coatings Technology 177 - 178 (2004) 483- 488) gezeigt, wobei sehr hochenergetische (> 15 kV) gepulste Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 177-178 (2004) 483-488), where very high energy (> 15 kV) pulsed
Kohlenstoff-Ionenplasmen bei der Plasma-Immersion-Ion-Implantation eingesetzt wurden .  Carbon ion plasmas have been used in the plasma immersion ion implantation.
Es ist immer noch nicht ausreichend zuverlässig möglich, Fluorpolymere haftfest zu beschichten . It is still not sufficiently reliable possible to coat fluoropolymers adherent.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, Fluorpolymere ausreichend haftfest zu beschichten . Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf Fluorpolymeren, eine Schichtanordnung und eine Vorrichtung zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf It is an object of the present invention to provide a way to sufficiently coat fluoropolymers adherent. This object is achieved by a method for the adhesive deposition of a coating on fluoropolymers, a layer arrangement and a device for the adhesive deposition of a coating
Fluorpolymeren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Fluoropolymers having the features according to the independent
Patentansprüchen gelöst. Claims solved.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf einem Fluorpolymer geschaffen, wobei bei dem Verfahren ein ein Fluorpolymer aufweisendes Substrat mit einer kohlenstoffhaltigen (und According to one embodiment of the present invention, there is provided a method for adherently depositing a coating on a fluoropolymer, the method comprising a fluoropolymer-containing substrate having a carbonaceous (and
wasserstoffhaltigen) Schicht mittels eines Plasmas in einem hydrogen-containing) layer by means of a plasma in one
Plasmaaktivierten Chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (PACVD, PECVD) beschichtet wird, und das Plasma aus Plasmateilchen mit einer mittleren (zum Beispiel kinetischen oder potentiellen) Energie in einem Bereich zwischen ungefähr 50 eV und ungefähr 3000 eV mit Hilfe von Ionenquelle(n) gebildet wird . Die Halbwertsbreite der Energieverteilung kann dabei zwischen etwa 20 bis 400 eV liegen, steigend mit steigender mittlerer Energie. Plasma-activated chemical vapor deposition process (PACVD, PECVD) is coated, and the plasma is formed from plasma particles having a mean (for example, kinetic or potential) energy in a range between about 50 eV and about 3000 eV by means of ion source (s). The half-width of the energy distribution can be between about 20 to 400 eV, rising with increasing average energy.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf einem Fluorpolymer bereitgestellt, wobei die Vorrichtung eine According to another embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for adherently depositing a coating on a fluoropolymer, the apparatus comprising a
Beschichtungskammer, die zum Beschichten eines ein Fluorpolymer aufweisenden Substrats mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht mittels eines Plasmas eingerichtet ist, und eine Steuereinheit aufweist, die zum Bilden des Plasmas aus Plasmateilchen mit einer mittleren Energie in einem Bereich zwischen ungefähr 50 eV und ungefähr 3000 eV A coating chamber adapted for coating a fluoropolymer-containing substrate with a carbon-containing layer by means of a plasma, and a controller for forming the plasma from plasma particles having a mean energy in a range between about 50 eV and about 3000 eV
eingerichtet ist. is set up.
Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Schichtanordnung geschaffen, die ein Substrat, das ein Fluorpolymer aufweist, eine kohlenstoffhaltige Haftvermittlungsschicht auf dem Substrat und eine Funktionsschicht auf der According to yet another embodiment of the present invention, there is provided a layer assembly comprising a substrate comprising a fluoropolymer, a carbonaceous coupling layer on the substrate, and a functional layer on the substrate
Haftvermittlungsschicht aufweist. Unter den Begriff„haftfest" wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine Beschichtung beschrieben, die bei einer normalen Benutzung seitens eines Benutzers vor einer unerwünschten Ablösung von dem Substrat geschützt ist. Von einer haftfesten Beschichtung kann somit insbesondere gesprochen werden, wenn bei bestimmungsgemäßer Verwendung einer Schichtanordnung die Funktionsschicht vor einem unerwünschten Ablösen von der Haftvermittlungsschicht und/oder die Haftvermittlungsschicht vor einem unerwünschten Ablösen von dem Fluorpolymersubstrat geschützt ist. Insbesondere kann unter einer haftfesten Abscheidung eine Abscheidung verstanden werden, die einen Gitterschnitttest bzw. einem Klebebandabzugstest (Scotch-Tape-Test) standhält. Bei Prüfung der Haftfestigkeit mittels Gitterschnitt kann zur Überprüfung einer abgeschiedenen Schicht auf einem Adhesive layer has. In the context of this description, the term "adherent-resistant" describes, in particular, a coating which is protected from undesired detachment from the substrate during normal use by a user, and an adhesive coating can therefore be used in particular if a layer arrangement is used as intended the functional layer is protected against unwanted detachment from the adhesion-promoting layer and / or the adhesion-promoting layer from undesired detachment from the fluoropolymer substrate. withstand. When testing the adhesion by crosshatching can be used to check a deposited layer on a
Fluorpolymersubstrat ein zerstörender Test durchgeführt werden, bei dem mit einem Schneidegerät ein Gitter durch die Schicht bis zum Fluoropolymer substrate a destructive test can be performed in which a grinder through the layer to the cutting device with a cutter
Grundmaterial geschnitten wird. Anschließend wird mittels definierten Klebebands ein Tape Test durchgeführt, um sich lösende Schichtpartikel zu ermitteln . Base material is cut. Subsequently, a tape test is carried out by means of defined adhesive tapes in order to determine solubilizing layer particles.
Unter dem Begriff„Fluorpolymer" wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Polymer, insbesondere ein Kunststoff verstanden, welcher Fluoratome enthält. Ein entsprechendes Fluoratome enthaltendes Substrat kann ein- oder mehrstoffig sein . In the context of this description, the term "fluoropolymer" is understood in particular to mean a polymer, in particular a plastic, which contains fluorine atoms, and a substrate containing a corresponding fluorine atom can be monosubstituted or polysubstituted.
Unter dem Begriff„Plasma" wird insbesondere ein Aggregatzustand verstanden, bei dem ein Gas teilweise oder sogar vollständig aus freien Ladungsträgern wie Ionen bzw. Elektronen besteht. Ein teilweise ionisiertes Plasma kann als ein Gemisch aus neutralen und geladenen Teilchen aufgefasst werden, ein vollständig ionisiertes Plasma bezeichnet einen Aggregatzustand, in dem nur geladene Teilchen vorliegen . Im Allgemeinen können in technischen Beschichtungsprozessen der In particular, the term "plasma" is understood to mean an aggregate state in which a gas consists partly or even completely of free charge carriers such as ions or electrons.A partially ionized plasma can be regarded as a mixture of neutral and charged particles, a completely ionized plasma denotes a state of aggregation in which only charged particles are present
PACVD/PECVD-Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung technische N iedertemperatur- bzw. Ungleichgewichtsplasmen vorliegen . Dabei können die Plasmen aus geladenen Ionen, Neutralteilchen und energetisch angeregten Neutralteilchen (d. h . mit kinetischer Energie oder mit angeregten, sich auf höheren Energieniveaus befindenden  PACVD / PECVD process according to an embodiment of the invention technical low-temperature or imbalance plasmas exist. The plasmas can consist of charged ions, neutral particles and energetically excited neutral particles (that is, with kinetic energy or with excited, at higher energy levels
Elektronen) bestehen . Der Anteil der ionisierten Teilchen kann dabei zwischen etwa 5 % und 20% liegen . Höhere Prozessgasdrücke können dabei verstärkt zum Übergang von ionisierten Teilchen auf energetisch angeregte Teilchen durch Rekombination mit Elektronen im Plasma führen . Dieser Prozess kann vornehmlich bei gitterlosen Ionenquellen (z. B. Typen Anode Layer Source und End-Hall-Source) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgenützt werden, um neutralisierte Plasmen für die Materialoberflächenmodifizierung und -beschichtung zu erreichen. Electrons). The proportion of ionized particles can be between about 5% and 20%. Higher process gas pressures can lead to increased transfer of ionized particles to energetically excited particles by recombination with electrons in the plasma. This process can be used mainly with gridless ion sources (eg, anode-layer-source and end-hall-source types) according to one embodiment of the invention, to achieve neutralized plasmas for material surface modification and coating.
Unter einem„Plasma aus Plasmateilchen mit einer mittleren Energie eines bestimmten Werts" wird insbesondere ein Plasma verstanden, das bei dem bezeichneten Energiewert ein bzw. sein Maximum in der A "plasma of plasma particles with a mean energy of a certain value" is understood in particular to mean a plasma which, at the designated energy value, is or is at its maximum in the
Plasmateilchenzahlverteilung aufweist. Wie zum Beispiel in Fig. 2 gezeigt, kann für ein Plasma die Energie von Plasmateilchen gegen die Anzahl von Plasmateilchen mit einer entsprechenden Energie aufgetragen werden, wobei eine solche Kurve üblicherweise ein Maximum aufweist. Dieses Maximum definiert dann die mittlere Energie der Plasmateilchen des Plasmas in diesem Sinne. Plasma particle number distribution has. For example, as shown in Figure 2, for a plasma, the energy of plasma particles may be plotted against the number of plasma particles having a corresponding energy, such curve usually having a maximum. This maximum then defines the mean energy of the plasma particles of the plasma in this sense.
Die Plasmateilchen können dabei durch eine Plasmaquelle erzeugt sein und großflächig auf dem Substrat auftreffen, mithin nicht auf einen kleinen Fleck auf dem Substrat fokussiert. Die Plasmateilchen können aus verschiedenen Richtungen, d.h. nicht gerichtet entlang einer The plasma particles may be generated by a plasma source and impinge on the substrate over a large area, thus not focused on a small spot on the substrate. The plasma particles may be from different directions, i. not directed along one
vorgegebenen Achse, auf das Substrat auftreffen - dies vor allem bei höheren Prozessgasdrücken. Insbesondere mag eine Divergenz des aus der Plasmaquelle austretenden Plasmateilchenstrahls bei +/- 25° liegen (ermittelt gemäß eigenen Messungen an Anode-Layer-Source- Ionenquellen basierend auf der Schichtdickenverteilung bei predetermined axis, impinge on the substrate - especially at higher process gas pressures. In particular, a divergence of the plasma particle beam emerging from the plasma source may be +/- 25 ° (determined according to own measurements on anode-layer source ion sources based on the layer thickness distribution
Plasmabehandlung/beschichtung in Kohlenwasserstoffatmosphäre). Plasma treatment / coating in hydrocarbon atmosphere).
Insbesondere können die Plasmateilchen positiv geladen sein und von Elektronen begleitet sein, welche im Mittel die Ladungen der In particular, the plasma particles may be positively charged and accompanied by electrons, which on average charge the charges
Plasmateilchen ausgleichen, oder - wie weiter oben beschrieben - vom ionisierten Zustand bereits in einen neutralen, aber energetisch Balancing plasma particles, or - as described above - from the ionized state already in a neutral, but energetic
angeregten Zustand übergegangen sein. Damit kann eine Aufladung des (insbesondere nicht leitfähigen) Substrates drastisch vermindert werden, was für die Plasmabehandlung oder -beschichtung von Kunststoffen bei langen Einwirkzeiten des Plasmas (d.h. generell > 1 Sekunde) essentiell sein kann. Die Plasmateilchen können aus einem ausgedehnten Bereich der Plasmaquelle, wie etwa einem Austrittspalt oder Austrittsringspalt, austreten, welcher ausgedehnte Bereich z.B. eine Ausdehnung von der Größenordnung einer Ausdehnung des Substrates haben kann. excited state to have passed. This can be a charge of the (In particular, non-conductive) substrate can be drastically reduced, which for plasma treatment or coating of plastics with long exposure times of the plasma (ie generally> 1 second) may be essential. The plasma particles may exit from an extended region of the plasma source, such as an exit slit or exit slit, which extended region may, for example, have an extent of the order of magnitude of expansion of the substrate.
Insbesondere mag die Plasmaquelle keine Teilchenoptik zum Fokussieren der Plasmateilchen aufweisen. Die Plasmaquelle mag zum Erzeugen der Plasmateilchen ein Magnetfeld erzeugen. Die Plasmateilchen können insbesondere in einer Anodenschicht der Plasmaquelle erzeugt sein und eine Energie in Abhängigkeit von einem Ort der Erzeugung haben. Eine Halbwertsbreite der Energieverteilung der Plasmateilchen mag zwischen 10 eV und 400 eV (in Abhängigkeit der mittleren Energie, siehe obige Ausführungen) liegen. Das Plasma kann insbesondere Kohlenstoffionen, Kohlenwasserstoffionen und/oder angeregte Kohlenwasserstoffmoleküle oder Kohlen Wasserstoff radikale enthalten. In particular, the plasma source may not have particle optics for focusing the plasma particles. The plasma source may generate a magnetic field to generate the plasma particles. In particular, the plasma particles may be generated in an anode layer of the plasma source and have energy dependent on a location of production. A half-width of the energy distribution of the plasma particles may be between 10 eV and 400 eV (depending on the average energy, see above). The plasma may in particular contain carbon ions, hydrocarbon ions and / or excited hydrocarbon molecules or carbon hydrogen radicals.
Unter einer„Haftvermittlungsschicht" wird im Rahmen dieser Under an "adhesion layer" is under this
Beschreibung insbesondere eine Schicht verstanden, deren Teilaufgabe oder deren einzige Aufgabe es ist, zwischen einem Substrat und einer darüber liegenden Funktionsschicht angeordnet zu sein und ein Ablösen einer darüber angeordneten Funktionsschicht von einem darunter angeordneten Substrat durch Ausübung einer einseitigen oder Description particularly understood a layer whose subtask or its sole object is to be arranged between a substrate and an overlying functional layer and a detachment of a functional layer arranged above it from a substrate arranged thereunder by exercising a one-sided or
beidseitigen Haftwirkung sicher zu vermeiden. to avoid double-sided adhesion.
Im Unterschied dazu wird unter einer„Funktionsschicht" eine Schicht verstanden, welche eine eigentliche Nutzfunktion einer Schichtanordnung bereitstellt und mittels einer Haftvermittlungsschicht sicher auf dem Substrat befestigt werden kann, aber nicht zwingend muss. Der Nutzen einer solchen Funktionsschicht bestimmt sich nach der bestimmungsgemäßen Verwendung der Schichtanordnung. Diese kann zum Beispiel bei Verwendung der Schichtanordnung als medizinisches Implantat eine biokompatible Eigenschaft sowie eine zusätzliche In contrast thereto, a "functional layer" is understood as meaning a layer which provides an actual useful function of a layer arrangement and can be securely fastened to the substrate by means of an adhesion-promoting layer, but does not necessarily have to Such a functional layer is determined by the intended use of the layer arrangement. This can, for example, when using the layer arrangement as a medical implant biocompatible property and an additional
Eigenschaft beinhalten, die beim Einsetzen in den menschlichen Körper ein Anwachsen des Implantats in dem Körper fördert. Als weiteres Beispiel der Verwendung der Schichtanordnung können Bauteile des Maschinen- und Anlagenbaus sowie generell verschleißbeanspruchte Teile angeführt werden, wobei die Funktionsschicht beispielsweise niedrige Reibungskoeffizienten besitzt und/oder hoch verschleißbeständig ist. Include property that promotes growth of the implant in the body when inserted into the human body. As a further example of the use of the layer arrangement, components of mechanical and plant engineering as well as parts subject to wear in general can be cited, the functional layer, for example, having low coefficients of friction and / or being highly resistant to wear.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf Fluorpolymeren According to one embodiment of the invention, a method for adherent deposition of a coating on fluoropolymers
geschaffen, wobei eine kohlenstoffhaltige Beschichtung aus einem created, wherein a carbon-containing coating of a
Plasma, erzeugt durch Ionen- und/oder Plasmaquellen mit zum Beispiel ungefähr 50 V bis ungefähr 5000 V Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode (Beschleunigungsspannung), gebildet wird. Dabei können die Plasmateilchen mit zum Beispiel ungefähr 50 eV (Elektronenvolt) bis ungefähr 3000 eV kinetischer Energie und/oder Ionenenergie auf dem Fluorpolymer abgeschieden werden. Plasma, generated by ion and / or plasma sources with, for example, about 50 V to about 5000 V potential difference between the cathode and anode (acceleration voltage) is formed. In this case, the plasma particles with, for example, about 50 eV (electron volts) to about 3000 eV of kinetic energy and / or ion energy can be deposited on the fluoropolymer.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine According to one embodiment of the invention, a
Plasmavorbehandlung und eine plasmaaktivierte CVD-basierte Plasma pretreatment and a plasma-activated CVD-based
Vakuumbeschichtung (PACVD, PECVD) von Fluorpolymeren unter Vacuum coating (PACVD, PECVD) of fluoropolymers under
Anwendung von Ionenquellen zur Plasmaerzeugung mit 50 V bis 5000 V Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode Application of ion sources for plasma generation with 50 V to 5000 V potential difference between anode and cathode
(Beschleunigungsspannung) und/oder mittleren Teilchenenergien (Acceleration voltage) and / or average particle energies
(Maximum der Teilchenenergieverteilung) zwischen 50 eV und 3000 eV zur Erzeugung der Haftvermittlungsschicht eingesetzt werden. Durch Zersetzung (Dissoziation) von gasförmigen Kohlenwasserstoffen, aber auch von weiteren Precursorgasen, welche bei Raumtemperatur gasförmig oder flüssig vorliegen, aber ausreichend hohen Dampfdruck zur Bildung eines Precursordampfes beim angewendeten Arbeitsdruck haben, kann es zur Abscheidung von hoch haftfesten kohlenstoffhaltigen (Maximum of the particle energy distribution) between 50 eV and 3000 eV are used to produce the adhesion-promoting layer. By decomposition (dissociation) of gaseous hydrocarbons, but Also of other precursor gases, which are gaseous or liquid at room temperature, but have sufficiently high vapor pressure to form a precursor vapor at the applied working pressure, it can for the deposition of highly adhesive carbonaceous
Beschichtungen auf den Fluorpolymer-Oberflächen kommen („Direct Deposition"). Coatings on the fluoropolymer surfaces come ("Direct Deposition").
Vorteile durch Anwendung von Beschichtungsprozessen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind : Advantages by using coating processes according to an embodiment of the invention are:
- Einfache kostengünstige Prozessführung mit sehr einfach aufgebauten, wartungsarmen und einfach betreibbaren Komponenten (Ionen- und Plasmaquellen, zum Beispiel Anode-Layer-Ionenquelle oder End-Hall-Quelle)  - Simple, cost-effective process management with very simple, low-maintenance and easy-to-operate components (ion and plasma sources, for example anode-layer ion source or end-Hall source)
- sehr hohe Haftung, das heißt fast untrennbare Verbindung der Kohlenstoff-Haftschicht mit der Fluorpolymer-Oberfläche (vorzugsweise Very high adhesion, that is almost inseparable connection of the carbon adhesive layer with the fluoropolymer surface (preferably
PTFE) PTFE)
- hoch flexible kohlenstoff basierte Beschichtungen, die auch  - highly flexible carbon based coatings, too
Verbiegungen von Folien ohne Schädigung erlauben Allow bending of films without damage
- hoch-haftfeste Beschichtung von Fluorpolymeren in Vakuum- Beschichtungsanlagen mit sehr vielen anorganischen Verbindungen mit hoher Reinheit und geringer Oberflächenrauigkeit  - High-adhesion coating of fluoropolymers in vacuum coating systems with a large number of inorganic compounds with high purity and low surface roughness
- Verzicht auf jegliche nasschemische Vorbehandlung von  - refrain from any wet chemical pretreatment of
Fluorpolymeren wie PTFE vor einer Beschichtung, was die damit verbundene Umweltbelastung reduziert Fluoropolymers such as PTFE before coating, which reduces the associated environmental impact
Bei Anwendung der Technik gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind keinerlei Nachteile aufgetreten. Auch sind die When using the technique according to an embodiment of the invention, no disadvantages have occurred. Also are the
Investitionskosten für eine Ionen-/Plasmaquelle (insbesondere Anode- Layer-Ionenquellen) beim Bau von Vakuum-Beschichtungsanlagen (zum Beispiel PVD, CVD) mit < 5-10 % der Investitionssumme sehr niedrig. Durch geeignete Prozessführung kann zudem eine Verunreinigung der Quelle durch sich abscheidende Kohlenstoffschichten weitgehend vermieden werden. Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des Verfahrens, der Vorrichtung und der Schichtanordnung beschrieben. Alle der im Weiteren beschriebenen Ausgestaltungen gelten jeweils sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung und die Schichtanordnung. Eine Funktionsschicht der Schichtanordnung kann mittels eines beliebigen Vakuumabscheideverfahrens gebildet werden. Insbesondere kann die Funktionsschicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung („chemical vapour deposition", CVD) gebildet werden. Es ist auch möglich, die Funktionsschicht mittels plasmaunterstützter chemischer Investment costs for an ion / plasma source (in particular anode-layer ion sources) in the construction of vacuum coating systems (for example PVD, CVD) with <5-10% of the investment sum very low. By means of suitable process control, contamination of the source by depositing carbon layers can also be largely avoided. In the following, additional embodiments of the method, the device and the layer arrangement will be described. All of the embodiments described below apply to the method as well as to the device and the layer arrangement. A functional layer of the layer assembly may be formed by any vacuum deposition process. In particular, the functional layer can be formed by means of chemical vapor deposition (CVD) .It is also possible to use the functional layer by means of plasma-assisted chemical vapor deposition
Gasphasenabscheidung („plasma enhanced chemical vapour deposition", PECVD, oder„plasma activated chemical vapour deposition", PACVD) zu bilden. Alternativ ist es möglich, die Funktionsschicht mittels To form gas phase deposition ("plasma enhanced chemical vapor deposition", PECVD, or "plasma activated chemical vapor deposition", PACVD). Alternatively, it is possible to use the functional layer by means of
Plasmapolymerisation oder Atomlagenabscheidung („atomic layer deposition", ALD) zu bilden, wobei letzteres als ein abgeändertes CVD- Verfahren zur Abscheidung besonders dünner Schichten bezeichnet werden kann. Auch physikalische Gasphasenabscheidungs-Verfahren („physical vapour deposition, PVD) können als Forming plasma or atomic layer deposition (ALD), the latter being referred to as a modified CVD method for depositing extra-thin layers, Physical Vapor Deposition (PVD) methods may also be used
Vakuumabscheideverfahren zum Bilden der Funktionsschicht eingesetzt werden, wobei hier beispielsweise thermische Verdampfungsverfahren (auch Bedampfungsverfahren genannt),  Vakuumabscheideverfahren be used to form the functional layer, in which case, for example, thermal evaporation method (also called evaporation method),
Elektronenstrahlverdampfungsverfahren („electron beam evaporation"), Laserstrahlverdampfungsverfahren („pulsed laser deposition", PLD), Lichtbogenverdampfungsverfahren („arc evaporation"), Verfahren aus dem Bereich der Molekularstrahlepitaxie, Sputtertechniken und  Electron beam evaporation, pulsed laser deposition (PLD), arc evaporation, molecular beam epitaxy, sputtering, and
Ionenstrahl-gestützte Beschichtungsverfahren („ion beam assisted deposition", IBAD) bzw. Ionenplattieren genannt werden können . Bei Verwendung von PVD- Verfahren zur Abscheidung der Funktionsschicht sollten zusätzlich zum zu bedeckenden Substrat aus Fluorpolymer mit zuvor aufgebrachter Haftzwischenschicht auch die festen Ion beam assisted coating process ("ion beam assisted When using PVD processes for depositing the functional layer, in addition to the substrate to be covered, fluoropolymer with previously applied adhesive interlayer should also be coated with the solid
Targetmaterialien, platziert auf den für die Verdampfung bzw. Target materials placed on the for evaporation or
Sublimation notwendigen Beschichtungseinrichtungen, in einem Sublimation necessary coating equipment, in one
Vakuumbehälter platziert werden . Vacuum container to be placed.
Neben den genannten Technologien kann die Funktionsschicht in einem zusätzlichen Schritt außerhalb der Vakuumbeschichtungseinrichtung beispielsweise mit Hilfe des Inkjet Printings oder anderen Technologien flächig oder strukturiert auf das vorbehandelte Fluorpolymer aufgebracht werden . Insbesondere kann die Funktionsschicht mittels eines In addition to the aforementioned technologies, the functional layer can be applied in an additional step outside the vacuum coating device, for example with the aid of inkjet printing or other technologies, in a planar or structured manner onto the pretreated fluoropolymer. In particular, the functional layer by means of a
Flüssigbeschichtungsverfahrens, wie z. B. Tauchbeschichtung, Liquid coating process, such. B. dip coating,
Schleuderbeschichtung (spincoating), Rakeln (knife coating), Spincoating, knife coating,
Sprühbeschichtung, aufgebracht werden . Mit diesen Methoden kann die Funktionsschicht entweder vollflächig oder durch die Verwendung von z. B. einer oder mehrerer Masken strukturiert, d .h . ausschließlich an durch die Maske vorbestimmten Stellen oder Bereichen, aufgebracht werden . Zur Aufbringung der Funktionsschicht in strukturierter Weise, d .h . nur auf vordefinierten Stellen des Substrats, eignen sich weiterhin eine Reihe von sogenannten Direktstrukturierungsverfahren . Solche  Spray coating to be applied. With these methods, the functional layer can be either over the entire surface or by the use of z. B. one or more masks, ie. exclusively applied to predetermined by the mask locations or areas. For applying the functional layer in a structured manner, i. E. only on predefined locations of the substrate, are still a number of so-called direct structuring. Such
Direktstrukturierungsverfahren sind insbesondere Inkjet-Druck und Siebdruck, aber auch Tiefdruck, Offsetdruck, etc. Direct structuring methods are in particular inkjet printing and screen printing, but also gravure, offset printing, etc.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Plasma aus Plasmateilchen mit einem mittleren Energiewert zwischen 50 eV und 1500 eV gebildet. Es kommt bei zu kleinen Teilchenenergien lediglich zu Adsorptions- und Kondensationsprozessen an einer According to a preferred embodiment of the invention, the plasma is formed from plasma particles with an average energy value between 50 eV and 1500 eV. It comes to too small particle energies only to adsorption and condensation processes at one
Festkörperoberfläche oder zur Einlagerung von Teilchen in atomaren Oberflächenstrukturen eines Festkörpers (Metall, Glas, Keramik, Solid surface or for incorporation of particles in atomic Surface structures of a solid (metal, glass, ceramic,
Kunststoff, biologisches Material, etc.), ohne dass Hafteigenschaften der Unterlage verbessert werden . Werden dagegen zu hohe Ionenenergien eingesetzt, kann das Festkörpergitter des Substrats unerwünscht geschädigt werden . Die Höhe der für einen speziellen Festkörper notwendigen Energien zur Adsorption, Implantation, etc. hängt generell von dessen physikalischem und chemischem Aufbau ab. Darüber hinausgehend haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass insbesondere ein Energiemaximum zwischen 50 eV und 1500 eV, das heißt das Maximum der Energieverteilung einer Plasmaquelle bei einem dieser Werte, besonders vorteilhaft für das Ausbilden haftfester Schichten auf einem Fluorpolymersubstrat geeignet ist. Plastic, biological material, etc.) without improving the adhesive properties of the pad. If, on the other hand, too high ion energies are used, the solid state lattice of the substrate can be damaged undesirably. The amount of energy required for a particular solid for adsorption, implantation, etc. generally depends on its physical and chemical composition. In addition, the present inventors have found that, in particular, an energy maximum between 50 eV and 1500 eV, ie the maximum of the energy distribution of a plasma source at one of these values, is particularly advantageous for forming adherent layers on a fluoropolymer substrate.
Die vorliegenden Erfinder haben ferner festgestellt, dass mit einer verfügbaren Ionen-/Plasmakanone (z. B. nach dem physikalischen Prinzip einer„End-Hall-Source") insbesondere ein Energiebereich zwischen 50 eV und 150 eV effizient abgedeckt werden kann, und dass mit einer anderen Ionenplasmakanone (z. B. nach dem physikalischen Prinzip einer„Anode Layer Source") ein Bereich zwischen 400 eV und 1500 eV effizient abgedeckt werden kann . Es kann zum Beispiel eine solcher The present inventors have also found that with an available ion / plasma gun (eg, according to the physical principle of an "end-hall source"), in particular an energy range between 50 eV and 150 eV can be efficiently covered, and that with another ion plasma gun (for example, according to the physical principle of an "anode layer source"), a range between 400 eV and 1500 eV can be efficiently covered. It can be one such example
Ionenplasmakanonen eingesetzt werden . Alternativ ist auch der Einsatz beider dieser Ionenplasmakanonen möglich . Allgemeiner kann eine oder können mehrere unterschiedliche Ionenplasmakanonen in einer  Ion plasma guns are used. Alternatively, the use of both of these ion plasma guns is possible. More generally, one or more different ion plasma guns may be in one
Beschichtungskammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt werden . Je nach gewünschten Eigenschaften einer Coating chamber can be used according to an embodiment of the invention. Depending on the desired properties of a
Vermittlungsschicht bzw. einer darauf angeordneten Funktionsschicht in Kombination mit der Berücksichtigung des Materials des  Network layer or a functional layer arranged thereon in combination with the consideration of the material of
Fluorpolymersubstrats steht somit ein vorteilhafter Energiebereich von Plasmateilchen bereit, um eine haftfeste Beschichtung zu bilden . Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Fluorpolymer aufweisende Substrat maskiert mit der kohlenstoffhaltigen Schicht beschichtet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die kohlenstoffhaltige Schicht ausgebildet werden, nachdem zum Beispiel unter Verwendung einer Maske (z.B. Lochmaske) oder Maskenschicht (z.B. Maskierungslack) das Substrat in gewünschter weise strukturiert worden ist. Nach einer Vollflächenabscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht kann dann zum Beispiel mittels Strippens die Maskenschicht abgezogen werden, womit eine maskierte Schicht der kohlenstoffhaltigen Schicht zurückbleibt, die dann optional auch als Keimschicht für das nachfolgende Aufwachsen einer haftfesten Funktionsschicht dienen kann. Nach dem Bilden einer strukturierten Haftvermittlungsschicht kann entweder eine Funktionsschicht vollflächig abgeschieden werden, wobei diese dann nur auf der Haftvermittlungsschicht in ausreichendem und dauerhaften Maße haften bleibt, oder es kann vor dem Strippen der Maskierungsschicht auch diese Funktionsschicht abgeschieden werden, die dann von Bereichen abseits der Strukturierung dieser Fluoropolymer substrate thus provides an advantageous energy range of plasma particles to form an adherent coating. In a preferred embodiment, the fluoropolymer-containing substrate may be masked coated with the carbon-containing layer. According to an embodiment, the carbonaceous layer may be formed after, for example, using a mask (eg, shadow mask) or mask layer (eg, masking resist), the substrate has been desirably patterned. After a full-surface deposition of a carbon-containing layer, the mask layer can then be stripped off, for example by stripping, leaving behind a masked layer of the carbon-containing layer, which can then optionally serve as a seed layer for the subsequent growth of an adherent functional layer. After the formation of a structured adhesion-promoting layer, either a functional layer can be deposited over the entire area, which then adheres only to the adhesion-promoting layer to a sufficient and lasting extent, or it can also be deposited before stripping the masking layer and this functional layer, which then of areas outside the structuring this
Maskierungsschicht mit dem Strippen entfernt werden kann. Erfindungsgemäß können somit selbst chemisch weitgehend inerte Masking layer can be removed with the stripping. Thus, according to the invention, even largely chemically inert can be used
Fluorpolymere einer haftfesten Beschichtung zugänglich gemacht werden, indem ein ausgewählter Energiebereich vom Plasmateilchen eingesetzt wird. Bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren können zunächst Oberflächenteilchen durch elastische Stöße entfernt werden. Dann können Teilchen zum Eindringen in die Oberfläche implantiert werden, wobei eine Bindung an und in oberflächennahen Bereichen stattfindet. Ein Aktivieren der Oberfläche kann zum Beispiel mittels Mikroaufrauens oder mittels Entfernens von Verunreinigungen zum Beispiel organischer Art erfolgen. Mit einem kohlenstoffhaltigen Plasma, erzeugt aus  Fluoropolymers of an adherent coating are made accessible by a selected energy range is used by the plasma particles. In a corresponding manufacturing process, surface particles can first be removed by elastic shocks. Particles may then be implanted to penetrate the surface, bonding to and in near-surface regions. Activation of the surface may be accomplished, for example, by micro-roughening or by removal of impurities, for example of an organic nature. With a carbon-containing plasma, generated from
Kohlenwasserstoffen oder metallorganischen Kohlenwasserstoff- Precursoren, kann eine Haftvermittlungsschicht gebildet werden. Hydrocarbons or organometallic hydrocarbons Precursors, a primer layer can be formed.
Wahlweise kann dann eine zweite Beschichtung mit einem Optionally, then a second coating with a
Vakuumabscheideverfahren auf der Haftvermittlungsschicht gebildet werden, wobei die Haftvermittlungsschicht als Bindeglied zwischen Substrat und der aufzubringenden Funktionsschicht dienen kann. Vakuumabscheideverfahren are formed on the adhesion promoting layer, wherein the adhesion promoting layer can serve as a link between the substrate and the functional layer to be applied.
Optional kann eine entsprechend gebildete Schichtanordnung einer Nachbehandlung unterzogen werden, zum Beispiel einer Strukturierung oder des Versehens der Oberfläche mit einer oder mehrerer funktioneller Schichten. Auch ist das Einlagern von Schmierstoffen möglich, oder ein Polieren zum Beispiel mittels Glasperlenstrahlens. Optionally, a suitably formed layer arrangement may be subjected to a post-treatment, for example structuring or providing the surface with one or more functional layers. It is also possible to store lubricants, or to polish for example by means of glass bead blasting.
Eine Dicke der Funktionsschicht kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 50 nm und 3 mm, insbesondere zwischen 50 nm und 100 μηι, weiter insbesondere zwischen 500 nm und 10 μηη liegen. A thickness of the functional layer can be, for example, in a range between 50 nm and 3 mm, in particular between 50 nm and 100 μm, more particularly between 500 nm and 10 μm.
Es ist möglich, das Substrat während der Plasmabehandlung dynamisch zu handhaben, insbesondere linear oder im Kreisbogen vor und zurück zu bewegen, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Auch eine rotierende Bewegung während des Beschichtens ist möglich. Während der Aufbringung der kohlenstoffhaltigen Beschichtung kann das zu beschichtende Werkstück aus Fluorpolymer somit entweder statisch sich vor der Ionen-/Plasmaquelle befinden oder dynamisch durch das Plasma ein- oder mehrmals (vielmals) bewegt werden. Das Fluorpolymer kann mit einer Biasspannung (DC, RF, DC gepulst) beaufschlagt werden. It is possible to dynamically handle the substrate during the plasma treatment, in particular to move it back and forth in a linear manner or in a circular arc in order to achieve a uniform coating. Also, a rotating movement during coating is possible. Thus, during application of the carbonaceous coating, the fluoropolymer workpiece to be coated may either be statically located in front of the ion / plasma source or dynamically moved through the plasma one or more times (many times). The fluoropolymer can be biased with a bias voltage (DC, RF, DC pulsed).
Im Speziellen sind insbesondere Ionenquellen nach den Prinzip von„End- Hall-Source"- und„Anode-Layer-Source"-Ionenerzeugung anwendbar, es können aber auch alle anderen nicht-fokussiertenlonenquellen, welche die erforderlichen kinetischen und Ionen-Energien in Plasmen erzeugen können, eingesetzt werden. Im Anschluss besteht die Möglichkeit der Anwendung verschiedener anderer Vakuumbeschichtungsverfahren (zum Beispiel aus der Verfahrensgruppe der PVD- oder CVD-Verfahren) auf den dann als Haftzwischenschicht dienenden kohlenstoffbasierten In particular, ion sources are applicable according to the principle of "end-source-source" and "anode-layer-source" ion generation, but it is also possible to use all other non-focused ion sources which generate the required kinetic and ion energies in plasmas can be used. Following there is the possibility of Application of various other vacuum coating methods (for example from the PVD or CVD process group) to the carbon-based adhesive layer then used
Beschichtungen zur Bereitstellung weiterer zum Beispiel funktioneller Schichteigenschaften. Damit können höchst haftfeste Beschichtungen mit Schichtdicken zwischen 1 nm und 50 μηη auf Fluorpolymere aufgebracht werden. Vorzugsweise werden Schichtdicken der kohlenstoffhaltigen Beschichtung zwischen 5 nm und 2000 nm Dicke eingestellt. Diese Aufbringung von kohlenstoffhaltigen Zwischenschichten direkt auf den Fluorpolymeroberflächen durch eine Vakuumbeschichtung mit Coatings for providing further, for example, functional layer properties. Thus, highly adhesive coatings with layer thicknesses of between 1 nm and 50 μm can be applied to fluoropolymers. Preferably, layer thicknesses of the carbon-containing coating are set between 5 nm and 2000 nm thickness. This application of carbonaceous interlayers directly on the fluoropolymer surfaces by vacuum coating with
Ionenquellen stellt einen entscheidenden, vorteilhaften Prozessschritt dar.  Ion sources represents a decisive, advantageous process step.
Ionen- und Plasmaquellen können als Komponenten in Vakuumkammern angesehen werden, welche einen durch sie hindurch strömenden Gasfluss (Reaktiv- oder Inertgase) durch das Anlegen von elektrischen Ion and plasma sources can be considered as components in vacuum chambers, which have a gas flow (reactive or inert gases) flowing through them through the application of electrical
Potentialdifferenzen zwischen Anoden und Kathoden wenigstens teilweise ionisieren. Bei vielen Typen sind Zusatzeinrichtungen zur Neutralisierung des Ionenstroms vorteilhaft, um die Wechselwirkung des Ionenstrahls mit nicht elektrisch leitfähigen Oberflächen über längere Zeitdauer hin durch Verhinderung der Aufladung von elektrischen Isolator-Oberflächen zu ermöglichen. Dies ist für die Behandlung von Kunststoffen essentiell. Es können eine Vielfalt verschiedener Ionen- und Plasmaquellen eingesetzt werden, zum Beispiel Plasmatrons, Kauffmann-Ionenquellen, (End-) Hall- Ionenquellen, Penning-Ionenquellen, Saddle-Field-Ionenquellen, Radio- Frequenz- und Mikrowellen-Ionen/Plasmaquellen, At least partially ionize potential differences between anodes and cathodes. In many types, ancillary means for neutralizing the ion current are advantageous for allowing interaction of the ion beam with non-electrically conductive surfaces for extended periods of time by preventing the charging of electrical insulator surfaces. This is essential for the treatment of plastics. A variety of different ion and plasma sources can be used, for example Plasmatrons, Kauffmann ion sources, (final) Hall ion sources, Penning ion sources, Saddle Field ion sources, radio frequency and microwave ion / plasma sources.
Elektronenresonanzquellen, Hohlkathodenquellen, Anode-Layer- Ionenquellen und andere. Generell lassen sich die oben genannten Beispiele für Ionenquellen in zwei Typen kategorisieren : Ionenquellen mit Gitter sowie gitterlose Ionenquellen. Gitterlose Ionenquellen bieten vor allem geringen Wartungsaufwand und niedrigen Ersatzteilkosten, liefern aber gegenüber Ionenquellen mit Gitter keinen Ionenstrahl mit Ionen aus einem schmalen Energiebereich. Bei der oben erwähnten Verwendung von gasförmigen Electron resonance sources, hollow cathode sources, anode layer ion sources and others. In general, the above examples of ion sources can be categorized into two types: lattice ion sources and latticeless ion sources. Gridless ion sources offer low maintenance and low parts costs, but no ion beam with ions from a narrow energy range compared to ion sources with grid. In the above-mentioned use of gaseous
Kohlenwasserstoffen in Prozessgasen für Ionenquellen kommt es an der Werkstückoberfläche zur Abscheidung von kohlenstoffhaltigen  Hydrocarbons in process gases for ion sources occur at the workpiece surface for the deposition of carbonaceous material
Beschichtungen, welche auch Atome und Moleküle aus anderen Coatings, which include atoms and molecules from others
Prozessgasen und Prozessgasbestandteilen enthalten können (zum Beispiel Wasserstoff). Der Kohlenwasserstoff kann dabei durch die Quelle geleitet und/oder teilweise nach dem Austritt eines Ionenstrahls diesem zudosiert werden. Derartige Beschichtungsprozesse (sogenannte „Direktbeschichtung",„Direct Deposition") können erfindungsgemäß besonders vorteilhaft im oben angegebenen Teilchenenergiebereich für Fluorpolymere technisch oder wissenschaftlich verwendet werden. Vorteil der Anwendung bei Kohlenwasserstoffplasmen höherer Energie auf Fluorpolymeroberflächen (und im speziellen auf PTFE) kann die Process gases and process gas components may contain (for example, hydrogen). The hydrocarbon can be passed through the source and / or partially dosed after the exit of an ion beam. Such coating processes (so-called "direct coating", "direct deposition") can be used according to the invention particularly advantageously in the abovementioned particle energy range for fluoropolymers technically or scientifically. The advantage of using higher energy hydrocarbon plasmas on fluoropolymer surfaces (and especially on PTFE) is the
Ausbildung eines dünnen defluorierten Bereichs (und/oder einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung mit geringem Fluorgehalt) an/nahe der Oberfläche sein, welcher die chemische Inertheit des Fluorpolymers gegenüber äußeren Einwirkungen verringert und damit chemische Forming a thin defluorinated area (and / or a low fluorine content carbonaceous coating) at / near the surface which reduces the chemical inertness of the fluoropolymer to external agents and therefore chemical
Bindungen mit der Umgebung ermöglicht. Somit erlaubt diese Bonds with the environment allows. Thus, this allows
Oberflächenmodifikation bzw. Oberflächenbeschichtung eine sehr hohe Haftung von Beschichtungen auf Fluorpolymeren. Surface modification or surface coating a very high adhesion of coatings on fluoropolymers.
Die als kohlenstoffhaltige Beschichtung beschriebene The one described as a carbonaceous coating
Oberflächenmodifikation schließt folgende nicht-dotierte und dotierte, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten ein : Diamond-like Carbon (a-C: H („amorphous hydrogenated diamond-like carbon"), ta-C: H (tetrahedral amorphous hydrogenated diamond-like carbon"), Polymer-like Carbon, wobei als Dotierungs-/Legierungselemente Chrom, Silizium, Titan, Surface modification includes the following non-doped and doped hydrogen-containing carbon layers: diamond-like carbon (aC: H ("amorphous hydrogenated diamond-like carbon"), ta-C: H (tetrahedral amorphous hydrogenated diamond-like carbon "), polymeric like carbon, wherein as doping / alloying elements chromium, silicon, titanium,
Wolfram, Zirkon, Fluor, Phosphor, Sauerstoff und/oder Stickstoff, Tungsten, zirconium, fluorine, phosphorus, oxygen and / or nitrogen,
Anwendung finden können. Der Gehalt jedes einzelnen dieser Dotierungs- /Legierungselemente kann zwischen 0 und 50 Atomprozent liegen. Application can be found. The content of each of these doping / alloying elements may be between 0 and 50 atomic percent.
Vorzugsweise werden neben nicht-dotierten Kohlenstoffschichten derartige mit Silizium und/oder Stickstoff als Dotierungselement größer 0 und kleiner gleich 30 Atomprozent Gehalt eingesetzt. Preferably, in addition to non-doped carbon layers, those with silicon and / or nitrogen are used as doping element greater than 0 and less than or equal to 30 atomic percent content.
Vorteilhaft für die Direktbeschichtung mit kohlenstoffbasierten Schichten ist eine Reinigung bzw. Aktivierung der Kunststoff Oberfläche mit zum Beispiel Ar und/oder 02 und/oder N2 vor dem Behandlungsschritt im kohlenwasserstoffhaltigem Plasma/Ionenstrahl. Nach der Behandlung im kohlenwasserstoffhaltigen Plasma/Ionenstrahl zur kohlenstoffbasierten Schichtabscheidung kann die Verwendung verschiedenster Advantageous for the direct coating with carbon-based layers is a cleaning or activation of the plastic surface with, for example, Ar and / or O 2 and / or N 2 before the treatment step in the hydrocarbon-containing plasma / ion beam. After treatment in the hydrocarbon-containing plasma / ion beam for carbon-based layer deposition, the use of a variety of
Beschichtungstechnologien bzw. Vakuumbeschichtungstechnologien erfolgen, um auf den hochhaftfesten, zum Beispiel 1 nm bis 50 μιη dicken kohlenstoffhaltigen Beschichtungen, weitere hochhaftfeste funktionelle Oberflächenmaterialien in gleichem oder anderem Schichtdickenbereich aufzubringen. Diese funktionellen Beschichtungen können entweder direkt auf die kohlenstoffhaltige Beschichtung aufgebracht werden, oder aber über verschiedene Zwischenschichten (Gradientenschichten, Coating technologies or vacuum coating technologies take place in order to apply to the high-adhesion, for example 1 nm to 50 μm thick carbon-containing coatings, further highly adhesive functional surface materials in the same or different layer thickness range. These functional coatings can either be applied directly to the carbonaceous coating or via various intermediate layers (gradient layers,
Multilagenschichten, etc.) zur Haftungsverbesserung aufgetragen werden. Die Auswahl der dafür notwendigen Beschichtungsmaterialien umfasst alle chemischen Elemente und Verbindungen, welche mittels Multilayer coatings, etc.) are applied to improve the adhesion. The selection of the necessary coating materials includes all chemical elements and compounds, which by means of
Beschichtungsverfahren (zum Beispiel aus dem Bereich der PVD- und CVD-Beschichtungsverfahren) in stöchiometrischer und nicht- stöchiometrischer chemischer Zusammensetzung aufgetragen werden können. Zudem können diese weiteren Beschichtungen entweder Coating process (for example from the field of PVD and CVD coating process) can be applied in stoichiometric and non-stoichiometric chemical composition. In addition, these other coatings can either
Monolagenschichten aus einem einzelnen Werkstoff, Gradientenschichten oder Multilagenschichten aus unterschiedlichen Beschichtungswerkstoffen (das heißt allen bekannten, mit PVD und CVD abscheidbaren Schichten in stöchiometrischer und nicht-stöchiometrischer chemischer Monolayer layers of a single material, gradient layers or multilayer layers of different coating materials (ie, all known PVD and CVD depositable layers in stoichiometric and non-stoichiometric chemical
Zusammensetzung) sein. Die Auswahl der für die Aufbringung dieser Beschichtungen verwendbaren Beschichtungstechnologien schließt alle PVD- und CVD-Beschichtungsverfahren ein. Composition). The selection of coating technologies applicable to the application of these coatings includes all PVD and CVD coating processes.
Die Schichthaftung wurde mittels zweier Verfahren (Scotch-Tape- Test/Klebebandabzugtest, Gitterschnitttest) auf den Fluorpolymeren geprüft, wobei in allen Fällen und bei beiden Prüfverfahren bestmögliche Haftungswerte für einerseits die kohlenstoffhaltigen Beschichtungen alleine, andererseits aber auch im Verbund mit darauf abgeschiedenen Beschichtungen nach Optimierung der Beschichtungsparameter nachgewiesen werden können. Mögliche geometrische Formen der Fluorpolymere für die Plasma- /Ionenstrahlbehandlung umfassen ebene (planare), aber auch The coating adhesion was tested on the fluoropolymers by means of two methods (Scotch tape test / adhesive tape withdrawal test, cross-cut test), in all cases and in both test methods the best possible adhesion values for the carbonaceous coatings alone, but also in combination with coatings deposited thereon after optimization the coating parameters can be detected. Possible geometric shapes of the fluoropolymers for the plasma / ion beam treatment include planar, but also
dreidimensional geformte Substratmaterialien als Stückgut und/oder in Endloslänge (Bänder, Folien, Fäden, Profile, Textilgewebe, Rohre, etc.). Das Fluorpolymer kann zum Beispiel als Vor-, Zwischen- oder Endprodukt einer Fertigungskette eingesetzt werden. three-dimensionally shaped substrate materials as general cargo and / or in endless length (belts, films, threads, profiles, textile fabrics, pipes, etc.). The fluoropolymer can be used, for example, as a precursor, intermediate or end product of a production chain.
Die Oberflächenbehandlung ist bei Anwendung entsprechender The surface treatment is appropriate when used
Manipulationseinrichtungen und/oder gleichzeitig mehrerer Ionenquellen allseitig möglich und kann in sogenannten Batch-Beschichtungsanlagen als auch in Durchlaufbeschichtungsanlagen erfolgen. Manipulation devices and / or simultaneously multiple ion sources possible on all sides and can be done in so-called batch coating systems as well as in continuous coating systems.
Das Fluorpolymer kann zum Beispiel einer der folgenden Gruppe angehören : Polytetrafluoroethylen (Polytetrafluorethen, PTFE), The fluoropolymer may, for example, belong to one of the following groups: polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethene, PTFE),
Perfluoralkoxylalkan (PFA), fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polychlorotrifluorethylen (PCTFE), Perfluoroalkoxylalkane (PFA), fluorinated ethylene-propylene (FEP), Polyvinylidene fluoride (PVDF), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE),
Polyvinylfluorid (PVF) . Polyvinyl fluoride (PVF).
Das oben beschriebene Verfahren zur Abscheidung einer Beschichtung kann bei einem Absolutdruck zwischen 1- 10"5 und 10 mbar mit einem oder mehreren Prozessgasen durchgeführt werden . The above described method for depositing a coating can be carried out at an absolute pressure between 1 10 "5 and 10 mbar with one or more process gases.
Diese Prozessgase können zur Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen vorgesehen sein und setzen sich aus Mischungen von inerten Trägergasen, gas-/dampfförmigen Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffträgergas und - im Falle der Dotierung/Legierung - von These process gases can be provided for the deposition of carbonaceous compounds and are composed of mixtures of inert carrier gases, gaseous / hydrocarbon hydrocarbons as carbon carrier gas and - in the case of doping / alloy - of
Dotierungs-/Legierungs-Prekursoren (das heißt die entsprechenden Dotierungselemente enthaltende Gase) zusammen . Alle Prozessgase können dem Beschichtungsplasma in dampf- oder gasförmiger Phase zugeführt werden . Die Prozessgase können der Plasma- und/oder Doping / alloy Prekursoren (that is, the corresponding doping elements containing gases) together. All process gases can be supplied to the coating plasma in vapor or gaseous phase. The process gases can be the plasma and / or
Ionenquelle zudosiert werden . Ion source are metered.
Das Verfahren wird zum Beispiel mit Plasma-/Ionenquellen durchgeführt, welche kontinuierliche oder gepulste Betriebsart aufweisen . Vorzugsweise eignen sich Ionenquellen des Typs (physikalischen Prinzips)„Anode Layer Ionenquelle" und„End-Hall-Quelle" zur beschriebenen The method is performed, for example, with plasma / ion sources having continuous or pulsed mode of operation. Preferably, ion sources of the type (physical principle) "anode layer ion source" and "end-Hall source" are suitable for the described
Schichtabscheidung . Layer deposition.
Die Temperatur des Fluorpolymers liegt während der Beschichtung zum Beispiel zwischen - 150°C und +300°C. Zur Verminderung der The temperature of the fluoropolymer, for example, is between-150 ° C and + 300 ° C during the coating. To reduce the
thermischen Belastung des Fluorpolymers kann während der Thermal loading of the fluoropolymer may occur during the
Beschichtung dieses optional gekühlt werden . Zudem ist aber auch die Betriebsweise ohne Kühlung möglich und wird vorzugsweise angewendet. Auch eine Beheizung mit Hilfe des Plasmas oder durch Heizelemente ist möglich . Die Aufbringung der Beschichtung kann in allen PACVD / PECVD- und/oder PVD-Beschichtungsanlagen (Batch-Beschichtungsanlagen als auch kontinuierlichen Beschichtungsanlagen) erfolgen. Coating this can be optionally cooled. In addition, however, the operation without cooling is possible and is preferably applied. Heating by means of the plasma or by heating elements is also possible. The coating can be applied in all PACVD / PECVD and / or PVD coating systems (batch coating systems as well as continuous coating plants).
Schichtanordnungen gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung können für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Funktionsschicht als eine Verschleißschutzschicht vorgesehen sein, zum Beispiel zum Härten von Oberflächen von Werkzeugen. Gemäß einem anderen Layer arrangements according to exemplary embodiments of the invention can be used for a variety of different applications. For example, the functional layer may be provided as a wear protection layer, for example for hardening surfaces of tools. According to another
Ausführungsbeispiel kann die Funktionsschicht eine biokompatible Schicht sein, zum Beispiel für medizintechnische Anwendungen oder  Exemplary embodiment, the functional layer may be a biocompatible layer, for example for medical applications or
Anwendungen in der Pharmazie oder der Mikrobiologie. Für Applications in pharmacy or microbiology. For
medizintechnische Anwendungen kann zum Beispiel ein Medical applications, for example, a
Herzklappenimplantat gebildet werden. Es ist auch möglich, Heart valve implant are formed. It is also possible,
erfindungsgemäß eine Sensorschicht als Funktionsschicht auf einer Haftvermittlungsschicht anzubringen, zum Beispiel für Chemosensoren, Biosensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, etc. Eine solche Sensorschicht kann dann vor einem unerwünschten Ablösen geschützt werden und eignet sich somit auch für das Detektieren von According to the invention, to mount a sensor layer as a functional layer on an adhesion-promoting layer, for example for chemosensors, biosensors, temperature sensors, pressure sensors, etc. Such a sensor layer can then be protected against undesired detachment and is therefore also suitable for detecting
Sensorsignalen in chemisch oder physikalisch aggressiven Umgebungen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Funktionsschicht eine elektrisch leitfähige Schicht sein, zum Beispiel eine strukturierte Metallschicht zum Bereitstellen gewünschter elektrischer Pfade in einer elektronischen Komponente. Diese elektrisch leitfähige Schicht kann dann mittels der Haftvermittlungsschicht vor einem unerwünschten Ablösen von dem Substrat geschützt werden und kann zudem durch die  Sensor signals in chemically or physically aggressive environments. According to another embodiment, the functional layer may be an electrically conductive layer, for example a structured metal layer for providing desired electrical paths in an electronic component. This electrically conductive layer can then be protected from undesired detachment from the substrate by means of the adhesion-promoting layer and can also be protected by the
kohlenstoffhaltige Haftvermittlungsschicht elektrisch von der Umgebung isoliert werden. Es ist auch möglich, dass die Funktionsschicht eine zum Beispiel optische oder elektromagnetische Reflexionsschicht ist, wie zum Beispiel eine Verspiegelungsschicht für optische Anwendungen. carbonaceous primer layer are electrically isolated from the environment. It is also possible that the functional layer is a for Example is optical or electromagnetic reflection layer, such as a mirroring layer for optical applications.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der In the following, exemplary embodiments of the
vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben. Present invention described in detail with reference to the following figures.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Schichtanordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows a cross section of a layer arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
Fig. 2 zeigt eine Energieverteilung unterschiedlicher Teilchen einer Plasmaquelle, die für ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt werden kann (nach [Veeco, Technical Manual ALS340L Anode Layer Source, Fort Collins (CO), 2003]). FIG. 2 shows an energy distribution of different particles of a plasma source which can be used for a method and an apparatus according to an exemplary embodiment of the invention (according to [Veeco, Technical Manual ALS340L Anode Layer Source, Fort Collins (CO), 2003]).
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf einem Fluorpolymer gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. FIG. 3 shows a schematic view of a device for the adhesive deposition of a coating on a fluoropolymer according to an exemplary embodiment of the invention. FIG.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. The illustrations in the figures are schematic and not to scale.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. The same or similar components in different figures are provided with the same reference numerals.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschreiben Verfahren der Ionenbehandlung und der ionenunterstützten Schichtabscheidung im Vakuum mit Ionen- oder Plasmaquellen im Vakuum zur Aufbringung von hoch haftfesten Beschichtungen auf Fluorpolymeren. Die Beschichtungen bestehen zum Beispiel aus reinem, undotiertem oder dotiertem/legiertem, wasserstoffhaltigem Kohlenstoff in Form von Embodiments of the present invention describe methods of ion treatment and ion assisted vacuum deposition with vacuum ion or plasma sources for applying highly adherent coatings to fluoropolymers. The coatings consist for example of pure, undoped or doped / alloyed, hydrogen-containing carbon in the form of
Diamond-like Carbon (a-C: H, ta-C: H) und Polymer-like Carbon. Sie können Funktionsschicht und/oder Haftzwischenschicht für weitere abscheidbare PVD- oder CVD-Beschichtungen sein. Diamond-like carbon (a-C: H, ta-C: H) and polymer-like carbon. They may be functional layer and / or adhesive interlayer for further depositable PVD or CVD coatings.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Schichtanordnung 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows a cross-sectional view of a layer arrangement 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
Die Schichtanordnung 100 enthält ein Polymersubstrat 100, das eine Fluorkomponente aufweist und daher als ein Fluorpolymer bezeichnet wird. Auf dem Teflonsubstrat 100 ist eine kohlenstoffhaltige The layer assembly 100 includes a polymeric substrate 100 that has a fluorine component and is therefore referred to as a fluoropolymer. On the Teflon substrate 100 is a carbonaceous
Haftvermittlungsschicht 102 aufgebracht, die mittels eines Adhesive layer 102 applied by means of a
Plasmaverfahrens mit einer ausgewählten Energie der Plasmateilchen mit einem Maximum oder Schwerpunkt der Plasmateilchenenergie zwischen 50 eV und 3000 eV erzeugt wird. Auf der Haftvermittlungsschicht 102 ist eine Funktionsschicht 104 vakuumabgeschieden, welche unterschiedliche technologische Eigenschaften besitzen kann (biokompatibel, elektrisch leitfähig, verschleißbeständig, niedrigreibend, sensorisch aktiv, etc.). Fig. 2 zeigt ein Diagramm 200 mit einer Abszisse 202, entlang welcher eine Energie von Plasmateilchen, generiert mittels einer Plasma- oder Ionenquelle, aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 204 ist aufgetragen, wie viele Plasmateilchen einer bestimmten Energie in einem Plasma vorhanden sind (Teichendichte). Die Kurve 206 zeigt schematisch eine Energieverteilung eines Plasmateilchenensembles einer Plasma- oderPlasma process is generated with a selected energy of the plasma particles with a maximum or center of gravity of the plasma particle energy between 50 eV and 3000 eV. On the adhesion-promoting layer 102, a functional layer 104 is vacuum-deposited, which may have different technological properties (biocompatible, electrically conductive, wear-resistant, low-friction, sensory-active, etc.). FIG. 2 shows a diagram 200 with an abscissa 202, along which an energy of plasma particles, generated by means of a plasma or ion source, is plotted. Along an ordinate 204 is plotted how many plasma particles of a certain energy are present in a plasma (pond density). The curve 206 schematically shows an energy distribution of a plasma particle ensemble of a plasma or
Ionenquelle und hat an einer Stelle 208 ein globales Maximum(Emean/max) - Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt dieses Maximum 208 in einem Bereich zwischen etwa 50 eV und etwa 3000 eV, kann insbesondere 500 eV sein. Zudem endet die Energieverteilung der Plasmateilchen bei einer Maximalenergie 209 (Emax). Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum haftfesten Abscheiden einer Beschichtung auf einem Fluorpolymersubstrat gemäß einem Ion source and has at a point 208 a global maximum (E mea n / max) - According to one embodiment of the invention, this maximum 208 is in a range between about 50 eV and about 3000 eV, may be in particular 500 eV. In addition, the energy distribution of the plasma particles ends at a maximum energy of 209 (E max ). FIG. 3 schematically shows an apparatus for adherently depositing a coating on a fluoropolymer substrate in accordance with FIG
Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 3 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Teil von Komponenten gezeigt, die in einer solchen Embodiment of the invention. In FIG. 3, for the sake of clarity, only a part of components is shown which are in such a way
Vorrichtung enthalten sein können. Device may be included.
Die Vorrichtung 300 enthält eine Beschichtungskammer 302, die zum Beschichten des Fluorpolymersubstrats 100 mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht, in Fig. 1 gezeigt mit Bezugszeichen 102, mittels eines Plasmas bzw. eines zumindest teilweise ionisierten Gases (bzw. Gasmischung) 306 eingerichtet ist. The apparatus 300 includes a coating chamber 302 configured to coat the fluoropolymer substrate 100 with a carbonaceous layer, shown at 102 in FIG. 1, by means of a plasma or an at least partially ionized gas 306.
Eine Steuereinheit 304 (zum Beispiel ein Mikroprozessor oder eine CPU (central processing unit), steuert den Betriebsablauf der Vorrichtung 300 und ermöglicht es, dass zum Bilden des Plasmas 306 Plasmateilchen mit einem mittleren Energie in der Größenordnung von 300 eV verwendet werden. Zum Beispiel kann in Vorversuchen ermittelt werden, mit welchem Betriebsablauf bzw. mit welchen Parametern die im Weiteren einzeln beschriebenen Komponenten gesteuert werden müssen, um sicherzustellen, dass das Maximum (siehe Bezugszeichen 208) der Energiekurve in einem gewünschten Bereich verbleibt. Um einen zuverlässigen Betrieb der Vorrichtung 300 zu gewährleisten und um insbesondere das Maximum einer gegenwärtigen Energieverteilung zu ermitteln, kann die Steuereinheit 304 auch Sensormessungen von auf die Energieverteilung sensitiven Parametern in der Beschichtungskammer 302 durchführen. Mittels Vergleichs von Ist-Werten mit zum Beispiel in einem Speicher abgelegten Soll-Werten kann die Steuereinheit 304 das gegenwärtige Energiemaximum bestimmen und kann ggf. Steuerparameter der Vorrichtung 300 nachregeln, um ein gewünschtes Energiemaximum zu verstellen . A control unit 304 (for example, a microprocessor or a central processing unit) controls the operation of the apparatus 300 and allows plasma particles having an average energy on the order of 300 eV to be used to form the plasma 306. For example, FIG In preliminary tests it is determined with which operating procedure or parameters the components described individually below must be controlled in order to ensure that the maximum (see reference numeral 208) of the energy curve remains within a desired range and, in particular, to determine the maximum of a current energy distribution, the control unit 304 can also perform sensor measurements of energy distribution sensitive parameters in the coating chamber 302. By comparing actual values with, for example, stored in a memory setpoint values, the control 304 determine the current energy maximum and may possibly Readjust control parameters of device 300 to adjust a desired energy maximum.
Das Innere der Beschichtungskammer 302 kann mittels eines ein- oder mehrstufigen Vakuumpumpen-Systems 350, die von der Steuereinheit 304 steuerbar ist, auf einen gewünschten Unterdruck, gemessen von Drucksensoren 351 in verschiedenen Bereichen der Vorrichtung, gebracht werden, wobei eine Steuerung des Drucks durch verschiedenste The interior of the coating chamber 302 may be brought to a desired negative pressure, as measured by pressure sensors 351 in various areas of the apparatus, by means of a single or multi-stage vacuum pumping system 350 controllable by the control unit 304, with control of pressure by a variety of means
Methoden (z. B. Pumpendrehzahl, Drosselventil, Gaszugabe, etc.) erfolgen kann . Methods (eg pump speed, throttle valve, gas addition, etc.) can be done.
Die Erzeugung des Plasmas (Ionenstroms) erfolgt mittels einer oder mehrerer Ionen-/Plasmaquellen 308 , welche prinzipiell durch Anlegen von elektrischer Spannung ein durch die Quelle strömendes Gas oder ein vor der Quelle befindliches Gas zumindest teilweise ionisieren . Die Ionen- /Plasmaquellen 308 sind durch ein oder mehrere The generation of the plasma (ion current) takes place by means of one or more ion / plasma sources 308 which, in principle, at least partially ionize a gas flowing through the source or a gas located in front of the source by applying electrical voltage. The ion / plasma sources 308 are by one or more
Spannungsversorgungeinrichtungen 310 angeschlossen, welche Power supply 310 connected, which
Gleichstrom, gepulsten Gleichstrom oder Wechselstrom mit definierbarer Frequenz (N iedrigfrequenz, Mittelfrequenz, Radiofrequenz, Hochfrequenz) an die Ionen-/Plasmaquellen 308 zur Anregung der Gasionisation liefern . DC, pulsed or alternating current of definable frequency (low frequency, medium frequency, radio frequency, radio frequency) to the ion / plasma sources 308 for exciting gas ionization.
Eine andere Spannungsversorgung 312 kann zur Aufbringung von Another power supply 312 may be used to apply
Gleichstrom, gepulstem Gleichstrom oder Wechselstrom mit definierbarer Frequenz auf die Halterung 314 für das Substrat 100 angewendet werden . Eine Temperierung der Halterung 314 oder der Wände und Einbauten der Beschichtungskammer 302 kann mittels einer DC, pulsed DC or AC with definable frequency applied to the holder 314 for the substrate 100. A temperature of the holder 314 or the walls and internals of the coating chamber 302 may by means of a
Temperatursteuereinheit 316 durch Heizen oder Kühlen erreicht werden Temperature control unit 316 can be achieved by heating or cooling
Die Steuereinheit 304 steuert nicht nur die Temperiereinheit 316 sowie die Spannungsversorgung(en) 310, 312 für die Ionen-/Plasmaquelle 308 und die Substrathalterung 314 sondern auch Ventile 318, die The control unit 304 not only controls the temperature control unit 316 as well as the power supply (s) 310, 312 for the ion / plasma source 308 and the substrate holder 314 but also valves 318, the
unterschiedliche Prozessgascontainer und/oder different process gas containers and / or
Prozessflüssigkeitscontainer 320 (mit unterschiedlichen Prozessgasen und/oder Prozessflüssigkeiten) über Gas- und/oder Process liquid container 320 (with different process gases and / or process liquids) via gas and / or
Flüssigkeitsdampfdosiereinrichtungen 319 mit der Beschichtungskammer 302 verbinden . Die Zugabe der Prozessgase, Prozessdämpfe kann über die Ventile 321 gesteuert in die Ionen-/Plasmaquelle 308, direkt in die Beschichtungskammer 302 oder gleichzeitig in 302 und 308 erfolgen, wobei die Austrittsöffnungen in der Beschichtungskammer 302 frei gewählt werden können, es sich aber vorzugsweise anbietet, reaktiveLiquid vapor metering 319 connect with the coating chamber 302. The addition of the process gases, process vapors can be controlled via the valves 321 into the ion / plasma source 308, directly into the coating chamber 302 or simultaneously 302 and 308, wherein the outlet openings in the coating chamber 302 can be chosen freely, but it is preferable , reactive
Prozessgase - wenn diese nicht durch die Ionen-/Plasmaquelle 308 selbst geleitet werden - in der Nähe dieser in die Beschichtungskammer 302 einzuleiten . Mittels einer Eingabe-/Ausgabeeinheit 324 kann ein Benutzer Process gases, if not passed through the ion / plasma source 308 itself, are introduced into the coating chamber 302 near it. By means of an input / output unit 324, a user
bidirektional mit der Steuereinheit 304 kommunizieren, insbesondere Steuersignale an die Steuereinheit 304 übermitteln oder Parameter oder Ergebnisse eines Beschichtungsprozesses über einen Ausgabebildschirm wahrnehmen . communicate bidirectionally with the control unit 304, in particular transmit control signals to the control unit 304 or perceive parameters or results of a coating process via an output screen.
Alternativ zu Fig . 3 ist es auch möglich, mehrere gleiche oder Alternatively to FIG. 3 it is also possible to have several same or
unterschiedliche Plasmaerzeugungseinheiten bzw. Ionenquellen in ein- und derselben Beschichtungsanlage aufzunehmen, zum Beispiel eine erste Ionenkanone mit einem Schwerpunkt 208 in einem Bereich zwischen 50 eV und 150 eV und eine zweite Ionenkanone mit einem Schwerpunkt im Bereich zwischen 400 eV und 1500 eV. record different plasma generation units or ion sources in one and the same coating system, for example, a first ion gun with a center of gravity 208 in a range between 50 eV and 150 eV and a second ion gun with a center of gravity in the range between 400 eV and 1500 eV.
Zusätzlich zum Einbau von einer oder mehrerer In addition to the installation of one or more
Plasmaerzeugungseinheiten bzw. Ionenquellen ist es alternativ zu Fig. 3 auch möglich, weitere Beschichtungsverfahren aus der Gruppe der PVD- und CVD- Verfahren in der gleichen Beschichtungskammer in As an alternative to FIG. 3, it is also possible for plasma generation units or ion sources to use further coating methods from the group of PVD systems. and CVD processes in the same coating chamber in
unterschiedlicher Anordnung unterzubringen. accommodate different arrangement.
Während jeglicher durchgeführter Prozesse kann das / können die in die Beschichtungskammer 302 auf die Halterungen 314 chargierte(n) Fluorpolymersubstrat(e) entweder statisch unbewegt verbleiben oder dynamisch unter Vorgabe bestimmter Bewegungen (Rotationen, lineare Verschiebungen, etc.) und Bewegungsgeschwindigkeiten manipuliert werden. During any of the processes performed, the fluoropolymer substrate (s) charged into the coating chamber 302 on the supports 314 may either remain static or be manipulated dynamically, with certain movements (rotations, linear displacements, etc.) and travel speeds.
Im Weiteren werden zwei konkrete Prozessführungen erläutert. In the following, two concrete litigation will be explained.
Beispiel 1: Oberflächenaktivierung und -modifikation von PTFE mittels Anode-Layer-Ionenquelle mit hoch-haftfester kohlenstoffhaltiger Example 1: Surface activation and modification of PTFE by means of anode-layer ion source with high-adhesion carbonaceous
Beschichtung coating
PTFE-Bauteile mit flacher oder dreidimensionaler Form (jedoch in diesem Ausführungsbeispiel ohne Hinterschneidungen) einer Größe von 360 mm Höhe und 200 mm Breite werden mittels einer linearen Anode Layer- Ionenquelle behandelt, um eine hoch-haftfeste Kohlenstoffbeschichtung einseitig aufzubringen. Nach einer Grobreinigung werden die PTFE- Bauteile in der Vakuumkammer chargiert und durch ein zweistufiges Pumpsystem auf den erforderlichen Startdruck der Beschichtung zwischen 5-10"6 und 1-10"4 mbar gebracht. Während der Beschichtung werden die PTFE-Bauteile kontinuierlich am Substratteller an denPTFE components with a flat or three-dimensional shape (but in this embodiment without undercuts) of a size of 360 mm height and 200 mm width are treated by means of a linear anode layer ion source to apply a high-adhesion carbon coating on one side. After a rough cleaning, the PTFE components are charged in the vacuum chamber and brought to the required starting pressure of the coating between 5-10 "6 and 1-10 " 4 mbar by a two-stage pumping system. During coating, the PTFE components are continuously attached to the substrate plate
Beschichtungsquellen entlang gedreht. Als vorbereitender Prozessschritt erfolgt eine Reinigung/Aktivierung der PTFE-Oberfläche mittels Coated coating sources along. As a preparatory process step, a cleaning / activation of the PTFE surface by means of
Sauerstoff-Argon-Plasma, erzeugt durch die lineare Anode-Layer- Ionenquelle. Im anschließenden Haupt-Prozessschritt wird Oxygen-argon plasma generated by the linear anode-layer ion source. In the subsequent main process step becomes
erfindungsgemäß die Anode-Layer-Ionenquelle mit Acetylen (ggf. unter Beigabe von Argon) beaufschlagt. Abhängig von der mittels According to the invention, the anode-layer ion source with acetylene (possibly under Addition of argon) acted upon. Depending on the means
Vakuumschieber einstellbaren Pumpleistung des Vakuumpumpsystems werden Gesamtgasflüsse zwischen 5 und 40 sccm bei einem Gasfluss- Verhältnis Acetylen : Argon = 1 : 20 bis 1 : 0 angewendet. Dabei stellen sich Drücke zwischen 5- 10"4 und 5- 10"2 mbar im Rezipient ein . Der Betrieb der Anode-Layer-Ionenquelle erfolgt mit 500 V bis 3000 V Potentialdifferenz (Anodenpotential) und Strömen zwischen 2 mA und 1000 mA. Nach 30 bis 60 Minuten Behandlungszeit (abhängig vom Gasfluss) werden die gewünschten Schichtdicken für die funktionale Anwendung erreicht. Der Test der Haftfestigkeit der Kohlenstoffbeschichtungen (a-C : H) auf den PTFE-Oberflächen mittels Gitterschnitttest und Klebebandabzugstest (Scotch-Tape-Test) zeigt, dass ein Ablösen der Kohlenstoffschicht vom PTFE nicht möglich ist. Beispiel 2: Oberflächenaktivierung und -modifikation von PTFE mittels Anode-Layer-Ionenquelle mit hoch-haftfester kohlenstoffhaltiger Vacuum shifter adjustable pumping capacity of the vacuum pump system, total gas flows between 5 and 40 sccm at a gas flow ratio acetylene: argon = 1: 20 to 1: 0 are applied. Here are pressures between 5- 10 "4 and 5- 10 " 2 mbar in the recipient. The operation of the anode-layer ion source is carried out with 500 V to 3000 V potential difference (anode potential) and currents between 2 mA and 1000 mA. After 30 to 60 minutes treatment time (depending on the gas flow) the desired layer thicknesses for the functional application are achieved. The adhesion test of the carbon coatings (aC: H) on the PTFE surfaces by cross hatch test and Scotch tape test shows that it is not possible to remove the carbon layer from the PTFE. Example 2: Surface activation and modification of PTFE by means of anode-layer ion source with high-adhesion carbonaceous
Beschichtung und anschließende PECVD-Beschichtung mit hoch-haftfester Funktionsschicht Basierend auf der in Beispiel 1 beschriebenen Prozessführung wird nach den angegebenen 30 bis 60 Minuten Behandlungszeit (entspricht zum Beispiel 60 nm bis 1000 nm Schichtdicke) der Kohlenstoff- Beschichtungsprozess mittels Anode-Layer-Ionenquelle gestoppt und im Anschluss mittels Magnetronsputtern eine etwa 1 μηη dicke Coating and Subsequent PECVD Coating with High-adhesion Functional Layer Based on the process control described in Example 1, the carbon coating process is stopped by means of the anode-layer ion source after the indicated 30 to 60 minutes treatment time (corresponding for example to 60 nm to 1000 nm layer thickness) and then by means of magnetron sputtering an approximately 1 μηη thick
Funktionsschicht aus Titan oder Titannitrid ohne Gradientenübergang zur Kohlenstoff-Haftzwischenschicht an PTFE hergestellt. Die Functional layer made of titanium or titanium nitride without gradient transition to the intermediate carbon-adhesive layer of PTFE. The
Haftfestigkeitstests für den Gesamtschichtverbund zeigen gleich gute Ergebnisse wie in Beispiel 1 geschildert. Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen. Adhesive strength tests for the overall composite layer show the same good results as described in Example 1. In addition, it should be understood that "having" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a plurality. "Further, it should be noted that features or steps described with reference to one of the above embodiments also can be used in combination with other features or steps of other embodiments described above, and reference signs in the claims are not intended to be limiting.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf einem Fluorpolymer, wobei das Verfahren aufweist: A method of adherently depositing a coating on a fluoropolymer, the method comprising:
Beschichten eines ein Fluorpolymer aufweisenden Substrats mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht mittels eines Plasmas;  Coating a fluoropolymer-containing substrate with a carbon-containing layer by means of a plasma;
Bilden des Plasmas aus Plasmateilchen mit einer mittleren Energie in einem Bereich zwischen 50 eV und 3000 eV.  Forming the plasma from plasma particles with a mean energy in a range between 50 eV and 3000 eV.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasma mittels einer 2. The method of claim 1, wherein the plasma by means of a
Ionenquelle oder mittels einer Plasmaquelle mit zwischen 50 V und 5000 V Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode erzeugt wird.  Ion source or by means of a plasma source with between 50 V and 5000 V accelerating voltage between the cathode and anode is generated.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Plasma mittels einer Anode-Layer-Ionenquelle oder mittels einer End-Hall-Ionenquelle erzeugt wird. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the plasma is generated by means of an anode layer ion source or by means of an end Hall ion source.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei während des Beschichtens das zu beschichtende Substrat sich statisch vor der Ionenquelle oder der Plasmaquelle befindet. 4. The method of claim 2 or 3, wherein during the coating, the substrate to be coated is located statically in front of the ion source or the plasma source.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei während des Beschichtens das zu beschichtende Substrat dynamisch einmal oder mehrmals durch das Plasma bewegt wird. 5. The method of claim 2 or 3, wherein during coating, the substrate to be coated is dynamically moved once or more times through the plasma.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beschichtung auf dem Fluorpolymer als Vorprodukt, Zwischenprodukt oder Endprodukt einer Fertigungskette abgeschieden wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the coating is deposited on the fluoropolymer as a precursor, intermediate or end product of a production chain.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Beschichten bei einem Absolutdruck zwischen 1 - 10"5 mbar und 10 mbar unter Verwendung von einem oder mehreren Prozessgasen durchgeführt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the coating is carried out at an absolute pressure between 1 - 10 "5 mbar and 10 mbar using one or more process gases.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Beschichten mittels einer Mischung von inerten Trägergasen und gasförmigen und/oder dampfförmigen Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffträgergas erfolgt. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the coating is carried out by means of a mixture of inert carrier gases and gaseous and / or vaporous hydrocarbons as carbon support gas.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Mischung ferner Dotierungs- Precursoren und/oder Legierungs-Precursoren zugesetzt werden . 9. The method of claim 8, wherein the mixture further doping precursors and / or alloy precursors are added.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Beschichten mit einem oder mehreren Prozessgasen durchgeführt wird, das oder die dem Plasma in dampfförmiger Phase oder gasförmiger Phase zugeführt werden . 10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the coating is carried out with one or more process gases, which are supplied to the plasma in the vapor phase or gaseous phase.
11. Verfahren nach Ansprüchen 2 und 10, wobei die ein oder mehreren Prozessgase der Plasmaquelle oder der Ionenquelle zudosiert werden . 11. The method of claims 2 and 10, wherein the one or more process gases of the plasma source or the ion source are metered.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat während des Beschichtens mit einer elektrischen Vorspannung 12. The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the substrate during the coating with an electrical bias
beaufschlagt werden kann . can be applied.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei während des Beschichtens das Substrat auf eine Temperatur zwischen - 150°C und + 300°C gebracht wird . 13. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein during the coating, the substrate is brought to a temperature between - 150 ° C and + 300 ° C.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Substrat zur Verminderung der thermischen Belastung während des Beschichtens gekühlt wird . 14. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the substrate is cooled to reduce the thermal stress during coating.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Substrat während des Beschichtens ungekühlt bleibt. 15. The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the substrate remains uncooled during the coating.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Substrat vor und/oder während des Beschichtens beheizt wird. 16. The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the substrate is heated before and / or during the coating.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, ferner aufweisend Bilden einer Funktionsschicht auf der dann als Haftvermittlungsschicht dienenden Schicht. 17. The method according to any one of claims 1 to 16, further comprising forming a functional layer on the layer then serving as an adhesion-promoting layer.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Funktionsschicht mittels eines Vakuumabscheideverfahrens gebildet wird . 18. The method of claim 17, wherein the functional layer is formed by a vacuum deposition process.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Funktionsschicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung, Plasma aktivierter chemischer Gasphasenabscheidung, Plasmapolymerisation, Laserstrahlverdampfens, Lichtbogenverdampfens, 19. The method according to claim 17 or 18, wherein the functional layer by means of chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, atomic layer deposition, plasma activated chemical vapor deposition, plasma polymerization, laser beam evaporation, arc evaporation,
Elektronenstrahlverdampfens, thermischen Verdampfens, Electron beam evaporation, thermal evaporation,
Molekularstrahlepitaxie, ionenstrahl-unterstützter Beschichtung oder Sputterns gebildet wird . Molecular Beam Epitaxy, ion beam assisted coating or sputtering is formed.
20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Funktionsschicht in einem weiteren Arbeitschritt außerhalb der Vakuumbeschichtungskammer gebildet wird, insbesondere mit Hilfe eines Inkjet-Printings. 20. The method of claim 17, wherein the functional layer is formed in a further step outside of the vacuum coating chamber, in particular by means of an inkjet print.
21. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Funktionsschicht vollflächig oder unter Verwendung einer Maske mittels eines 21. The method of claim 17, wherein the functional layer over the entire surface or using a mask by means of a
Flüssigbeschichtungsverfahrens aufgebracht wird, insbesondere mittels Tauchbeschichtung, Spincoating, Rakeln, und/oder Sprühbeschichtung. Liquid coating process is applied, in particular by means of dip coating, spin coating, knife coating, and / or spray coating.
22. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Funktionsschicht in 22. The method of claim 17, wherein the functional layer in
strukturierter Weise nur auf vordefinierten Stellen der als structured way only on predefined positions of the
Haftvermittlungsschicht dienenden Schicht auf dem Substrat mittels eines Direktstrukturierungsverfahrens aufgebracht wird, insbesondere mittels einer Direktdosiermethode, Inkjet-Druck, Siebdruck, Tiefdruck, und/oder Offsetdruck. Adhesive layer serving layer is applied to the substrate by means of a Direktstrukturierungsverfahrens, in particular by means of a direct dosing, inkjet printing, screen printing, gravure, and / or offset printing.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, ferner aufweisend Aktivieren einer Oberfläche des Substrats vor dem Beschichten mittels Behandeins des Substrats mit einem kohlenstofffreien Plasma . 23. The method of claim 1, further comprising activating a surface of the substrate prior to coating by treating the substrate with a carbon-free plasma.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Aktivieren mittels 24. The method of claim 23, wherein activating means
Behandeins des Substrats in einer Sauerstoff- und/oder Argon- und/oder Stickstoffatmosphäre erfolgt. Treating the substrate in an oxygen and / or argon and / or nitrogen atmosphere takes place.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Plasma aus Plasmateilchen mit einer mittleren Energie in einem Bereich zwischen 50 eV und 1500 eV, insbesondere mit einer mittleren Energie in einem Bereich zwischen 50 eV und 150 eV oder mit einer mittleren Energie in einem Bereich zwischen 400 eV und 1500 eV, gebildet wird. 25. The method according to any one of claims 1 to 24, wherein the plasma of plasma particles having an average energy in a range between 50 eV and 1500 eV, in particular with a mean energy in a range between 50 eV and 150 eV or with an average energy in a range between 400 eV and 1500 eV is formed.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei das ein 26. The method according to any one of claims 1 to 25, wherein the a
Fluorpolymer aufweisende Substrat mit einer maskierten kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Schicht beschichtet wird . Fluoropolymer-containing substrate is coated with a masked carbon and hydrogen-containing layer.
27. Vorrichtung zur haftfesten Abscheidung einer Beschichtung auf einem Fluorpolymer, wobei die Vorrichtung aufweist: 27. An apparatus for adherently depositing a coating on a fluoropolymer, the apparatus comprising:
eine Beschichtungskammer, die zum Beschichten eines ein  a coating chamber used for coating a
Fluorpolymer aufweisenden Substrats mit einer kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Schicht mittels eines Plasmas eingerichtet ist; Fluoropolymer-containing substrate is arranged with a carbon and hydrogen-containing layer by means of a plasma;
eine Steuereinheit, die zum Bilden des Plasmas aus Plasmateilchen mit einer mittleren Energie in einem Bereich zwischen 50 eV und 3000 eV eingerichtet ist.  a controller configured to form the plasma from plasma particles having a mean energy in a range between 50 eV and 3000 eV.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, eingerichtet als PVD- Beschichtungsanlage, PACVD-Beschichtungsanlage, PECVD-Anlage, CVD- Anlage, Batch-Beschichtungsanlage oder kontinuierliche 28. The apparatus of claim 27, set up as a PVD coating plant, PACVD coating plant, PECVD plant, CVD plant, batch coating plant or continuous
Beschichtungsanlage. 29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, aufweisend eine oder mehrere unterschiedliche Plasmaquellen. Coating plant. 29. The apparatus of claim 27 or 28, comprising one or more different plasma sources.
Schichtanordnung, aufweisend : Layer arrangement comprising:
ein Substrat, das ein Fluorpolymer aufweist;  a substrate comprising a fluoropolymer;
eine kohlenstoffhaltige Haftvermittlungsschicht auf dem Substrat; eine Funktionsschicht auf der Haftvermittlungsschicht.  a carbonaceous adhesive layer on the substrate; a functional layer on the primer layer.
31. Schichtanordnung nach Anspruch 30, wobei das ein Fluorpolymer aufweisende Substrat Polytetrafluoroethylen, Perfluoralkoxylalkan, fluoriertes Ethylen-Propylen, Polyvinylidenfluorid, The laminate of claim 30, wherein the fluoropolymer-containing substrate comprises polytetrafluoroethylene, perfluoroalkoxyalkane, fluorinated ethylene-propylene, polyvinylidene fluoride,
Polychlorotrifluorethylen und/oder Polyvinylfluorid aufweist oder daraus besteht. Polychlorotrifluoroethylene and / or polyvinyl fluoride comprises or consists thereof.
32. Schichtanordnung nach Anspruch 30 oder 31, ausgestaltet als ebene geometrische Form, Band, Folie, Faden, Textilgewebe, Rohr, Stange oder dreidimensionales komplex geformtes Bauteil oder Profil . 32. Layer arrangement according to claim 30 or 31, designed as a planar geometric shape, tape, foil, thread, textile fabric, tube, rod or three-dimensional complex shaped component or profile.
33. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, wobei die Haftvermittlungsschicht eine nicht-dotierte kohlenstoffhaltige Schicht ist oder eine dotierte kohlenstoffhaltige Schicht ist. 33. The layer arrangement according to claim 30, wherein the adhesion-promoting layer is a non-doped carbon-containing layer or a doped carbon-containing layer.
34. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 35, wobei die Haftvermittlungsschicht Diamond-like Carbon, insbesondere a-C : H34. Layer arrangement according to one of claims 30 to 35, wherein the adhesion-promoting layer diamond-like carbon, in particular a-C: H
Diamond-like Carbon oder ta-C: H Diamond-like Carbon, oder Polymer- like Carbon aufweist. Diamond-like Carbon or ta-C: H Diamond-like carbon, or polymer-like carbon has.
35. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei die kohlenstoffhaltige Haftvermittlungsschicht mit Chrom, Silizium, Titan,35. A layer arrangement according to any one of claims 30 to 34, wherein the carbonaceous bonding layer with chromium, silicon, titanium,
Wolfram, Zirkon, Fluor, Phosphor, Sauerstoff und/oder Stickstoff als Dotierungselement und/oder Legierungselement dotiert ist. Tungsten, zirconium, fluorine, phosphorus, oxygen and / or nitrogen is doped as a doping element and / or alloying element.
36. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 35, wobei ein Gehalt jedes einzelnen dieser Dotierungselemente und/oder 36. Layer arrangement according to one of claims 30 to 35, wherein a content of each of these individual doping elements and / or
Legierungselemente größer 0 Atomprozent und kleiner gleich 50  Alloy elements greater than 0 atomic percent and less than or equal to 50
Atomprozent liegt. Atomic percent lies.
37. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 36, wobei die kohlenstoffhaltige Haftvermittlungsschicht eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 50 μιη, insbesondere zwischen 5 nm und 2 μηι, aufweist. 37. Layer arrangement according to one of claims 30 to 36, wherein the carbonaceous adhesion promoting layer has a layer thickness between 1 nm and 50 μιη, in particular between 5 nm and 2 μηι having.
38. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 37, wobei die Funktionsschicht direkt auf die Haftvermittlungsschicht aufgebracht ist. 38. Layer arrangement according to one of claims 30 to 37, wherein the functional layer is applied directly to the adhesion-promoting layer.
39. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 38, wobei die Funktionsschicht durch eine oder mehrere Zwischenschichten getrennt auf die Haftvermittlungsschicht aufgebracht ist. 39. Layer arrangement according to one of claims 30 to 38, wherein the functional layer is applied by one or more intermediate layers separately on the adhesion-promoting layer.
40. Schichtanordnung nach Anspruch 39, wobei die eine oder mehrere Zwischenschichten eine Monolagenschicht aus einem einzelnen Werkstoff, eine Gradientenschicht und/oder eine Multilagenschicht aus 40. The layer arrangement of claim 39, wherein the one or more intermediate layers comprise a monolayer layer of a single material, a gradient layer and / or a multilayer layer
unterschiedlichen Beschichtungswerkstoffen aufweisen. have different coating materials.
41. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 40, wobei die41. The layer arrangement according to one of claims 30 to 40, wherein the
Funktionsschicht eine Verschleißschutzschicht, eine biokompatible Schicht eines medizinischen Implantats, eine Sensorschicht, eine elektrisch leitfähige Schicht und/oder eine Reflexionsschicht ist. Functional layer is a wear protection layer, a biocompatible layer of a medical implant, a sensor layer, an electrically conductive layer and / or a reflective layer.
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