Plasmaverfahren

Komplette Systeme für die Behandlung von und Beschichtung auf Oberflächen
mittels Plasmaprozessen

  • Aktivierung, Reinigung und Ätzen mit Atmosphärendruckplasma, Reaktivem Ionenätzen (RIE) und Mikrowellen Downstream Plasma
  • Beschichtung durch Physical Vapour Deposition (PVD, Sputtern) und Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD)

Plasma


In nur zwei Jahrzehnten haben sich Plasmaprozesse zu einem vielseitigen Werkzeug für industrielle Anwendungen entwickelt. Plasmen werden für eine große Zahl von Aufgaben in der Oberflächenbehandlung verwendet, zum Beispiel Beschichtung, Aktivierung von Kunststoffen, Ätzen von Halbleiterbauelementen und Reinigung.

Was bedeutet Plasmatechnologie denn nun eigentlich?

Laut Definition ist ein Plasma ein teilweise ionisiertes Gas, welches oft auch als der vierte Aggregatzustand der Materie bezeichnet wird. Phänomene wie zum Beispiel ein Blitz oder das Nordlicht (aurora borealis) sind in der Natur auftretende Plasmen. Technisch können sie durch das Anlegen elektrischer Felder erzeugt werden.

Plasmen sind wegen ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften interessant. In ihnen werden hochangeregte Teilchen und Radikale generiert. Diese können chemische Reaktionen auslösen, welche unter Normalbedingungen nicht möglich sind. Dabei kann die Temperatur der zu behandelnden Werkstücke sehr niedrig gehalten werden.

Außerdem kann die Strahlung, welche von Plasmen ausgeht, genutzt werden. Das Emissionsspektrum umfaßt einen Bereich von Vakuum-Ultraviolet (VUV) bis Infrarot (IR). Die Leuchtstoffröhre ist ein Beispiel für ein technisches Plasma, welches so optimiert wurde, daß ein Großteil der emittierten Strahlung im sichtbaren Bereich liegt.

Stark beschleunigte Ionen in einem Plasma ermöglichen Anwendungen wie Sputtern oder Ionenimplantation.

Diesen physikalischen und chemischen Eigenschaften verdankt das Plasma seine außergewöhnliche Rolle in Wissenschaft und industrieller Technik.

Plasmaaktivierung

Die Aktivierung von Kunststoffoberflächen ist eine spezielle Anwendung der Plasmatechnologie. Aktivierung bedeutet hier eine Erhöhung der Oberflächenenergie, welche verbesserte Haftungseigenschaften und somit Benetzbarkeit zur Folge hat. Der Kontaktwinkel eines Tropfens auf einem Kunststoff ist ein gängiges Maß für das Haftvermögen.

In vielen Fällen haben Polymere niedrige Oberflächenenergien beziehungsweise sind hydrophob, was zum Beispiel Probleme bei der Verwendung von Lacken auf Wasserbasis verursachen kann. Also müssen sie vor der Lackierung oder dem Bedrucken modifiziert werden. Plasma hat sich für diesen Zweck als sehr effizientes Mittel erwiesen. So stellt die Plasmaaktivierung einen Ersatz für übliche Haftvermittler dar.

Des weiteren gibt es kaum Grenzen, was die Geometrie der Werkstücke sowie die Art des Polymers betrifft, da die Temperatur während des Prozesses nicht signifikant ansteigt. Außerdem bleibt die Topographie des Kunststoffe nahezu unverändert, nur die obersten Monolagen werden modifiziert.

Für Aktivierungsprozesse besteht das Plasma typischerweise aus Sauerstoff, manchmal aber auch aus Stickstoff oder Ammoniak. Wenn Sauerstoff eingesetzt wird, ist es möglich Polymere so zu modifizieren, daß Hydroxyl-, Carboxyl- oder Peroxidgruppen an der Oberfläche entstehen. Verwendet man dagegen Stickstoff oder Ammoniak, so führt das zu Amin- oder Imin-Gruppen, welche für bestimmte Anwendungen ebenfalls interessant sein können. Diese polaren hydrophilen Gruppen verbessern die Benetzbarkeit der Oberfläche. Die Dauer von Aktivierungsprozessen beträgt in der Regel nur wenige Sekunden. Nach der Aktivierung sind die Werkstücke zur sofortigen Weiterverarbeitung präpariert, was eventuell sogar im selben Plasmasystem möglich ist.

Ein typisches Einsatzgebiet für dieses etablierte Verfahren ist die Vorbehandlung von Kunststoffteilen im Automobilbau, wie zum Beispiel durchlackierte Stoßfänger.

Im folgenden sind einige Vorteile aufgelistet :

PROZESS

  • Sehr gutes Haftvermögen
  • Bessere Homogenität
  • Hohe Prozeßstabilität
  • Einfache Prozesskontrolle
  • Anwendbarkeit auf temperaturempfindliche Materialien

WIRTSCHAFTLICHKEIT

  • Keine Entsorgungskosten
  • Kein Trockenvorgang nötig
  • Niedriger Verbrauch von Plasmagasen
  • Keine Haftgrundierung notwendig

ÖKOLOGIE

  • Lösungsmittelfreiheit
  • Keine kritischen Abfälle
  • Integrierte Umweltverträglichkeit

Plasmareinigung

Die Reinigung von Oberflächen ist eine der Möglichkeiten, die die Plasmatechnologie bietet. Hierfür werden verschiedene Methoden der Generierung von Plasmen verwendet. Die gebräuchlichsten sind das Anlegen von hochfrequenten Wechselspannungen (40 kHz bzw. 13,56 MHz) sowie die Anregung mit Mikrowellen. Typische Gasgemische enthalten Sauerstoff, Argon und manchmal Wasserstoff und Tetrafluorkohlenstoff (CF4). Das Gemisch hängt von den speziellen Anforderungen an den Reinigungsprozess ab, welche sich aus Art der Verunreinigung und dem behandelten Werkstoff ergeben.

Es gibt bezüglich des zu reinigenden Materials kaum Beschränkungen. So können temperaturempfindliche Kunststoffe ebenso behandelt werden wie Metall, Glas und Keramik. Das Plasmasystem muss aber auf jeden Fall der jeweiligen Aufgabe angepasst werden.

Abhängig vom Gasgemisch wirkt das Plasma oxidierend oder reduzierend. Oxidierende Plasmen sind beim Entfernen organischer Verunreinigungen (Öle, Fette) von Vorteil, während reduzierende Plasmen eher für anorganische Ablagerungen (wie zum Beispiel Metalloxide) geeignet sind.

Fast jede Oberfläche wird während verschiedener Arbeitsgänge verschmutzt. Für weitere Behandlungsschritte, wie zum Beispiel Lackierung, Härtung oder Versiegelung, müssen die Werkstücke gereinigt werden.
Plasmareinigung ist der beste Weg um absolut saubere, fettfreie Oberflächen zu erhalten.

Klassische Reinigungsmethoden sind oft naßchemisch und enthalten Kohlenwasserstoffe (KW), Chlorkohlenwasserstoffe (CKW) oder in Wasser gelöste scharfe Reiniger. Alle diese Mittel stellen sowohl während des Gebrauches als auch bei der Entsorgung Umweltprobleme dar. Abfallreduzierung wird mit sogenannten End-of-pipe Lösungen betrieben, welche zusätzliche Kosten verursachen.

Im Gegensatz zur Nasschemie erfüllt die Plasmareinigung die Bedingungen für integrierten Umweltschutz.

Um zu verstehen, wie die Plasmareinigung funktioniert, muss man sich einen mikroskopisch kleinen Bereich anschauen. Was passiert unmittelbar auf und an der Oberfläche?

Im Falle organischer Kontamination enthält das Plasmagas Sauerstoff und Argon. Der Reinigungsprozess ist die Summe zweier Vorgänge, einem physikalischen und einem chemischen.

Physikalisch:
Legt man das Werkstück auf die Kathode bzw. schließt es als Kathode an, werden aufgrund des angelegten elektrischen Feldes positive Ionen aus dem Plasma in seine Richtung beschleunigt. Beim Auftreffen lösen die Ionen durch direkten Impulsübertrag Atome und Moleküle von der Oberfläche ab. Man könnte diesen Vorgang als "Billard mit Atomen" bezeichnen.

Chemisch:
Angeregter Sauerstoff und Sauerstoffionen bilden bei der Reaktion mit Kohlenwasserstoffen Kohlendioxid und Wasser. Die genaue Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus :

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Kohlenwasserstoffe werden also in vergleichsweise harmlose chemische Verbindungen umgewandelt. Die Produkte einer unvollständigen Verbrennung, sollten welche vorhanden sein, können leicht mit Hilfe von Aktivkohlefiltern aus den Abgasen herausgefiltert werden.

Plasmareinigung bietet einige bemerkenswerte Vorteile bezüglich Prozess, Wirtschaftlichkeit, Ökologie und Arbeitssicherheit :

PROZESS

  • Hoher Entfettungsgrad
  • Hohe Spaltgängigkeit
  • Gute Vorbereitung auf weitere Plasmaprozesse wie z.B. Beschichtung
  • Hohe Stabilität
  • Einfache Prozesskontrolle
  • Anwendbarkeit auf temperaturempfindliche Materialien

WIRTSCHAFTLICHKEIT

  • Keine Entsorgungskosten
  • Kein Trockenvorgang nötig
  • Niedriger Verbrauch von Plasmagasen

ÖKOLOGIE

  • Lösungsmittelfreiheit
  • Keine kritischen Abfälle
  • Wenig Entsorgungsaufwand
  • Integrierter Umweltschutz

ARBEITSSICHERHEIT

  • Hohe Arbeitssicherheit (nur geringer Aufwand zur Lagerung komprimierter Gase)

Sputtering

EIN PLASMABESCHICHTUNGSVERFAHREN

Als Sputtering oder Sputtern wird allgemein das Herausschlagen von Atomen aus einem Festkörpertarget mittels Stoß durch beschleunigte Gasionen bezeichnet. Diese Technik findet in vielen Fällen bei der Herstellung dünner Schichten Anwendung.

Dazu wird in einem Inertgas (meist Argon) eine Gasentladung (Plasma) gezündet. Die positiven Gasionen werden dann auf ein negativ geladenes Target beschleunigt und lösen dort durch unmittelbare Impulsübertragung Atome heraus. Diese diffundieren in den die Sputteranordnung umgebenden Vakuumrezipienten und schlagen sich als dünne Schicht auf dem zu beschichtenden Werkstück (Substrat) und Rezipientenwänden nieder. Außerdem werden sogenannte Sekundärelektronen freigesetzt, welche zur Aufrechterhaltung der Gasentladung beitragen.

Die wichtigsten Varianten des Sputtering sollen im folgenden kurz erläutert werden :

1. DC-SPUTTERING

Abb. 1 zeigt eine DC-Diodenanordnung. Hier stehen sich in der Vakuumkammer Target und Substrat im Abstand von einigen Zentimetern gegenüber. Das Target wird an den negativen Ausgang einer DC-Versorgung angeschlossen, fungiert also als Kathode, während Substrat und Rezipient geerdet werden und so die Anode bilden. Nach der Evakuierung des Rezipienten flutet man ihn bis zu einem Druck von etwa 10-3 bis 10-2 mbar mit Argon und zündet eine Gasentladung (Plasma), deren Träger Elektronen und Argonionen sind. Die erzeugten Ar+-Ionen werden auf das Target (Kathode) beschleunigt und lösen dort Atome heraus, welche sich dann wie bereits erwähnt als dünne Schicht auf dem Substrat niederschlagen.

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Abb. 1

Das DC-Sputtering funktioniert für alle zu zerstäubenden Substanzen, die elektrisch leitfähig sind. Nichtleitende Materialien lassen sich auf diese Weise nicht sputtern, da die positiven Ladungen der auf die Kathode auftreffenden Sputtergasionen nicht abgeführt werden können. Dadurch wird das angelegte negative DC-Potential abgebaut, und es werden keine Ar+-Ionen mehr auf das Target beschleunigt. Der Sputterprozess endet von selbst.

2. HF-SPUTTERING

Für das Sputtern von Isolatoren, aber auch von Leitern, verwendet man eine HF-Diodenanordnung (Abb. 2). Bei dieser Technik baut sich am Target ein negatives DC-Potential (self-bias) auf. Die Ursache dafür sind die unterschiedlichen Beweglichkeiten von Elektronen und Argonionen im hochfrequenten elektrischen Wechselfeld.

Wie beim DC-Sputtering werden die Argonionen also wieder auf die mit dem Targetmaterial versehene Kathode beschleunigt und schlagen dort Atome heraus. Da die positiven Ladungen aber nicht abgeführt werden müssen, ist auch die Zerstäubung von Nichtleitern möglich. Außerdem findet aufgrund der oszillierenden Bewegungen der Elektronen im Hochfrequenzwechselfeld eine größere Zahl von Ionisationen statt, was einen höheren Stromfluß zur Folge hat. Dadurch kann bei gleicher Leistung mit niedrigeren Entladespannungen gearbeitet werden.

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Abb. 2

REAKTIVES SPUTTERING

Eine weitere Unterscheidung, die bei diesem Beschichtungsverfahren gemacht werden muß, ist die zwischen "normalem" Sputtern und dem reaktiven Beschichtungsprozess, welcher ebenfalls sowohl mit DC- als auch mit HF-Versorgung betrieben werden kann.

Beim herkömmlichen Verfahren besteht das Target exakt aus dem Material, aus dem letztendlich auch die gewünschte Schicht zusammengesetzt sein soll. Als Prozessgas wird reines Argon verwendet. Die dünnen Schichten, welche bei einem Reaktivprozess hergestellt werden, sind eine chemische Verbindung aus dem Targetmaterial und einem Reaktivgas, welches dem Argon in geringen Mengen beigemischt wird. Die Atome oder Moleküle der beiden Substanzen reagieren im Plasma zum Endprodukt, welches sich dann auf dem Substrat ablagert. So kann man zum Beispiel TiN- oder ITO-Schichten gewinnen.

Außer dem Sputtering gibt es noch weitere Beschichtungsprozesse im Plasma, so zum Beispiel PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition, plasmagestütztes CVD) oder Ionenplattieren.