Nr.31/März 2001

Bild 1: Erzeugung eines großflächigen Mikrostrukturelektrodenplasmas aus mehreren Mikrostrukturelektroden
(Plasmafläche 20 x 120m²)
 

• Erzeugung von plasmaphysikalischen und plasmachemischen Zuständen weitab vom thermischen Gleichgewicht zur Initiierung neuer Prozesse, 
• hohe Produktivität, 
• einfache Prozeßintegration, 
• Umsetzung der Prozesse im großen industriellen Maßstab für die Massenproduktion bei beherrschbaren Kosten.

Daraus ergeben sich folgende Anforderungen an moderne Plasmatechnologien:
 

• Plasmen mit möglichst hohen Ladungsträgerdichten zu erzeugen, die eine hohe plasma-chemische Reaktivität aufweisen, 
• industrielle Plasmen bei Atmosphärendruck zu betreiben, um eine gute Kompatibilität und Integration zu anderen Prozeßschritten zu erreichen, 
• die enormen Investitionskosten großindustrieller Vakuumanlagen beim Einsatz von atmosphärentauglicher Plasmatechnik zu vermeiden.

Im Rahmen des Projektes wird ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung von homogenen und beliebig skalierbaren Plasmen innerhalb eines weiten Druckbereichs, insbesondere aber bei Atmosphärendruck, erforscht (Abb. 1). Die Basis dazu bilden mikrostrukturierte Elektrodensysteme (MSE), zu deren Betrieb Vakuumbedingungen sowie aufwendige Hochspannungstechnologien nicht benötigt werden. Dies macht die MSE-Plasmaquelle zum Schlüssel für den unkomplizierten Einsatz der Plasmatechnologie in einer breiten Spanne von Anwendungsmöglichkeiten. So stellt das MSE-Plasmaverfahren unter anderem auch einen Ansatz zur Lösung von technologischen Problemen (z. B. diskontinuierliche Prozeßauslegung) auf dem Gebiet der modernen Oberflächentechnik (Modifikation, Reinigung, Aktivierung, Beschichtung) dar. 
 

Grundlage plasmatechnischer Anwendungen ist die nicht-thermische Erzeugung von UV-Strahlung und energiereichen Teilchen (Radikale, angeregte Atome, Ionen, Elektronen), die sich als reaktives Medium in einer "kalten" Umgebung z. B. bei Raumtemperatur befinden. Sie sind in der Lage, sehr effektiv chemische Bindungen aufzubrechen. Neben den bekannten Möglichkeiten der Erzeugung von Niedertemperaturplasmen bei Atmosphärendruck in Form von Korona- oder Barriereentladungen konnte im Projekt gezeigt werden, daß, wenn die Eigenschaften der im mbar-Bereich arbeitenden, gut bekannten Gasentladungen auf Atmosphärendruck hochskaliert werden, arbeitsfähige Plasmen hoher Leistungsfähigkeit entstehen. Abb. 2 zeigt auf Basis dieser Skalierung, daß für atmosphärische Plasmen Elektrodenabstände im Bereich von 100 - 500 µm benötigt werden. Solche Elektrodenstrukturen im Mikrometerbereich können heutzutage mit Hilfe moderner mikrotechnischer Verfahren problemlos hergestellt werden. Aufgrund des geringen Elektrodenabstandes können dann bereits mit vergleichsweise moderaten Spannungen (Gleichspannung (DC), Hochfrequenz (HF)) von einigen 100 V sehr hohe elektrische Felder und somit elektrische Gasentladungen - auch im atmosphärennahen Druckbereich - erzeugt werden.

Um eine flexible Nutzung von MSE-Plasmaquellen zu ermöglichen, werden verschiedene MSE-Designs (Kammstrukturen, Lochstrukturen) erprobt, so daß sowohl die Erzeugung von volumenartigen als auch von flächigen Plasmen möglich ist (Abb. 3, 4). Somit kann einerseits ein großes Reaktionsvolumen für eine effiziente stoffliche Umsetzung zur Verfügung gestellt werden, andererseits kann ein Werkstück sehr nah an ein dünnes Flächenplasma herangebracht werden. Darüber hinaus kann durch eine nicht-planare Gestaltung der MSE eine individuelle Anpassung an Werkstücke realisiert werden.

Wenn mit diesen kleinen Elektrodenabständen Plasmen größerer Abmessungen für zukünftige industrielle Anwendungen erzeugt werden sollen, müssen Mehrfachanordnungen, wie sie für die kammartigen Systeme beispielhaft in Abb. 1 dargestellt sind, eingesetzt werden. Die Elektrodenstrukturen werden dabei mit Dünnschichttechnik auf Substraten aus hochfestem Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufgebracht und für den HF-Betrieb mit einer isolierenden, plasma-chemisch stabilen Schutzschicht (bis zu 10 µm Dicke) versehen.
 

Bild 2:

Elektrodenabstand in Abhängigkeit vom Druck
 

Bild 3:

Aufbau und Abmessungen eine Mikrostrukturelektrode für atmosphärisches Hochfrequenzplasma
 

Atmosphärische HF-Plasmen mit kammartigen Mikrostrukturen

Im Projekt wurde untersucht, mit welchen Gasen bzw. Gasgemischen (pd)-skalierte Plasmen bei Atmosphärendruck stabil betrieben werden können (p Druck, d Elektrodenabstand). Zu diesem Zweck wurde die minimal zum Plasmabetrieb notwendige Flächenleistungsdichte bestimmt (Abb. 5). Im Gegensatz zu entsprechenden mbar-Plasmen mit Leistungsdichten im W/cm² -Bereich weisen atmosphärische HF-Plasmen - entsprechend der Skalierung - eine um zwei bis drei Größenordnungen höhere Leistungsdichte auf. Die maximal für die Mikrostrukturen anwendbare Flächenleistungsdichte liegt derzeit bei etwa 2 W/mm² . Typischerweise werden kammartige MSE - in Abhängigkeit vom jeweiligen Arbeitsgas - jedoch mit einer Leistungsdichte von 0,03 bis 0,3 W/cm² betrieben.

Strukturen mit Elektrodenbreiten von 250 µm, Elektrodenabständen im Bereich von 60 bis 140 µm sowie Schichtdicken von 2 µm (Kupfer, Gold) erwiesen sich als geeignet für stabile Entladungen in Helium und Neon bei Atmosphärendruck, wobei reaktive Gase mit einem Gehalt von bis zu 10 Vol-% zugemischt werden können, während sich mit Argon bei 1000 mbar (ohne Reaktivgas-Zumischung) bereits eine beträchtliche Leistungsbelastung der Elektrodensysteme ergibt. Insbesondere aber erfordert der Betrieb des Plasmas in molekularen Gasen bzw. Gasgemischen optimierte Systeme mit Elektrodenbreiten um 1000 µm und -abständen im Bereich von 50 - 100 µm. Darüber hinaus ist eine galvanische Verstärkung der Elektroden auf Schichtdicken bis zu 100 µm unerläßlich. Mit solchen Strukturen lassen sich dann stabile, homogene und flächige Entladungen beispielsweise in Stickstoff, oder auch in N&sub2;/CF&sub4; - bzw. N&sub2;/NO-Gemischen bei Drücken bis zu 600 mbar betreiben. 

Um einen ersten Nachweis zu erbringen, daß mit den so erzeugten Plasmen technologisch relevante Effekte möglich sind, wurden die in Tab. 1 zusammengestellten Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurden u.a. vier Mikrostrukturen nach Abb. 3 zu einem Plasmamodul größerer Bearbeitungsfläche (20 x 120 mm², Abb. 1) zusammengefügt. Da die atmosphärischen Plasmen gegenüber konventionellen mbar-Plasmen über eine um mehrere Größenordnungen höhere Ladungsträgerdichte verfügen, werden entsprechend hohe Schichtabscheide- bzw. Ätzraten beobachtet.
 

Bild 4:

Dreidimensionale MSE

Bild 5:

Erforderliche Plasmaflächenleistungsdichte zum
Erzeugen eines Plasmas in Mikrostrukturelektroden
in Abhängigkeit von Gasart und Druck
 

Harte Kohlenstoffschicht auf Silizium-Substrat
 

Bild 7:

Geometrie einer 3D-MSE- a)schematische Darstellung
- b) REM-Aufnahme
 

Bild 8:

Lochstrukturen in Keramik in zwei Ausführungen
- Man erkennt dunkel die obere Elektrode auf der Keramik
und die durchgehenden Bohrungen
 

Bild 9:

Paralleler Betrieb von 35 Mikroentladungen in Helium
 

Mit einzelnen MSE wurden z. B. erste Versuche zur Abscheidung von harten Kohlenstoffschichten (Abb. 6) auf verschiedenen Substraten (Silizium, Glas, Aluminium) aus Gemischen von Methan bzw. Acetylen mit Helium als Trägergas durchgeführt. Die so abgeschiedenen und mittels Profilometer, Kalottenschliff und Mikrohärtemessung charakterisierten Schichten (5 - 10 µm Dicke) weisen bereits plastische Härten von über 9000 MPa auf. Die Substrate wurden vor der Abscheidung mit Aceton gereinigt, um eine gute Haftung der Filme zu gewährleisten und in einem Abstand von ca. 1 mm zu den MSE plaziert. An den Substraten lag eine Bias-Spannung von 550 Vpp (9,6 kHz) an. Die Schichtabscheidung erfolgte in einem Druckbereich von 10 bis 100 mbar bei einem Gasfluß von typischerweise 100 sccm. Die Beschichtungsdauer lag zwischen 10 und 30 Minuten.

Atmosphärische Plasmen mit Lochstrukturen

Dreidimensionale MSE ermöglichen es, in einem definierten Volumen (< 0,01 mm 3 ) lokal eine Mikroentladung zu betreiben. Ausgangsbasis für die 3D-MSE ist eine Mehrschichtfolie, die sich aus zwei durch einen Isolator getrennten Metallschichten zusammensetzt (Abb. 7). Dieses Ausgangsmaterial (200 - 600 µm Dicke) kann mit einzelnen durchgängigen Poren oder mit einer beliebigen Anzahl und Anordnung an Poren versehen werden (Abb. 4), wobei der Porendurchmesser zwischen 50 und 400 µm variiert werden kann. Die hohe Präzision und Reproduzierbarkeit der mikromechanischen Methoden erlauben es, großflächige Strukturen mit bis zu 10.000 Poren/cm² herzustellen. Abhängig vom Isolatormaterial lassen sich flexible Folien in fast jeder beliebigen Form fertigen. Im Hinblick auf die für Anwendungen erforderliche hohe Stabilität der Lochstrukturen wurde u.a. auch hier Al&sub2; O&sub3; -Keramik als Trägermaterial untersucht. Dazu wird eine ungebrannte Keramikfolie beidseitig in Dickschichttechnik mit einer Metallpaste versehen und anschließend spanabhebend strukturiert, vereinzelt und gebrannt (Abb. 8). 

Bei großflächigen Lochstrukturen wird aufgrund der damit verbundenen hohen Kapazitäten eine HF-Anregung problematisch, so daß der Fokus hier auf den Betrieb mit Gleichspannung gesetzt wird. Beim Anlegen einer Spannung von einigen 100 V zündet eine stabile Glimmentladung in den Poren (Abb. 9), wobei Ströme bis zu 20 mA pro Mikroentladung erreicht werden. Das entspricht einer maximalen Leistung von 4 W pro Mikroentladung. Dabei ist sowohl ein statischer Betrieb als auch ein dynamischer Modus mit geregeltem Gasfluß durch die Poren möglich. 

Für eine industrielle Anwendung ist der parallele Betrieb von mehreren Poren bzw. großflächigen Porensystemen von größter Bedeutung. In der ursprünglichen Form der MSE waren alle Poren elektrisch gekoppelt, so daß jede Instabilität einer einzelnen Mikroentladung auch unweigerlich zu einer Beeinträchtigung der übrigen Entladungen führte. Diese Problematik konnte durch eine elektrische Entkopplung der Entladungen gelöst werden, indem ein Vorwiderstand auf der Anode integriert wurde. Hierzu existieren zwei Ausführungsformen: In der ersten wurde in der Nähe jeder einzelnen Pore ein kleiner Widerstand eingebettet, während in einer zweiten Ausführung der Widerstand in Form einer dünnen Germanium-Schicht über die gesamte Anodenfläche aufgebracht wurde. Beide Ausführungen stabilisieren den Parallelbetrieb von mehreren Mikroentladungen, besonders bei hohem Gasdruck. 
 

Ein zweites Applikationsbeispiel stellt die Behandlung von dielektrischen Stoffen (Glas, Kunststoff) dar, wobei ein Übertragen der Entladung wie bei metallischen Substraten nicht möglich ist. Um zu klären, inwieweit die Anwesenheit des Plasmas in der Nähe des Substrates für die Oberflächenmodifikation herangezogen werden kann, wurde exemplarisch die Aktivierung von Glas mit einem Heliumplasma untersucht. Die Aktivierung läßt sich mittels Kontaktwinkelmessungen (dest. H&sub2;O) bewerten. Erwartungsgemäß steigt die Oberflächenspannung mit zunehmender Behandlungsdauer. Die räumliche Verteilung der Kontaktwinkel nach einer zehn Sekunden dauernden Plasmabehandlung in Helium bei 30 mbar wird in Abb. 11 dargestellt. Der kritische Abstand für die flächige Ausbildung der Entladung beträgt 2 mm.

Die durch die Vorbehandlung erzeugte Oberflächenspannung entspricht einem Kontaktwinkel destillierten Wassers von etwa 30º. Abb. 11 zeigt außerdem, daß bei einem Abstand von 4 mm eine optimale Oberflächenaktivierung erzielt wird, die auch lateral deutlich über die Grenzen der Anregungsstruktur hinausgeht. Selbst in einem lateralen Abstand von 4 mm erhält man Kontaktwinkel von maximal 5º. Bemerkenswert ist aber auch, daß bei einem Substrat- MSE-Abstand von 8 mm noch deutliche Einflüsse des Plasmas auf die Aktivierung der Oberfläche beobachtet werden können.
 

Bild 11:
Der Verlauf der Kontaktwinkel in Grad nach einer zehn Sekunden
dauernden Exposition der Glassubstrates in einem Heliumplasma.
Die Position der Mikrostruktur ist am linken Bildrand angedeutet
 

Derartige Atmosphärendruckplasmen werden zukünftig die Basis für neue industrielle Anwendungen bilden. Sie ermöglichen Technologien, deren Potential von der Medizintechnik über die Solarindustrie bis hin zu neuen Materialien reicht, ohne daß ein einziger Vakuumprozeß notwendig ist.
 

• Förderung:


Bundesministerium für Bildung
und Forschung (BMBF) 
Heinemannstraße 2
D-53175 Bonn
 

• Verbundprojekt: 


Grundlagen zur Erzeugung flächiger Plasmen
bei Atmosphärendruck mit neuartigen, 
steuerbaren Elektrodensystemen
 

• Verbundpartner (alphabetisch): 


Institut für Kernphysik, Johann Wolfgang
Goethe-Universität, Frankfurt am Main
Institut für Physikalische und Theoretische
Chemie, Technische Universität Braun-schweig
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Roth & Rau Oberflächentechnik GmbH, 
Wüstenbrand
 

• Projektabwicklung: 


VDI-Technologiezentrum
Physikalische Technologien
Postfach 10 11 39
40002 Düsseldorf
Frau Dr. Reichel
Tel.: 0211/6214-567
Fax.: 0211/6214-484
E-Mail.: reichel@vdi.de
 

• Koordination: 


Prof. Dr. K.-H. Gericke
Institut für Physikalische und Theoretische
Chemie
TU Braunschweig
Abteilung Laserchemie
Hans-Sommer-Str. 10
38 106 Braunschweig
Tel.: 0531/391 5326
Fax.: 0531/391 5396