Blog of Plasma

ANTWORTEN ZU HÄUFIG GESTELLTEN FRAGEN

1. Was muss für eine Plasmaanlage bereitgestellt werden (Anschlüsse...)?
2. Was ist Plasmaaktivieren?


3. Was ist Plasmaätzen?


4. Was ist Plasma?
5. Was ist ein Plasmaetcher / Plasma etcher?
6. Was ist ein Plasmacleaner / Plasma cleaner?
7. Was ist ein Plasmaasher / Plasma asher?
8. Verwendbare Gasarten?
9. Können Teile auch nur teilweise geätzt bzw. behandelt werden?


10. Kann Plasma auch bei materialkombinierten Teilen angewandt werden?
11. Ist es möglich, Folien zu behandeln?
12. Inwieweit können die Eigenschaften einer Oberfläche verändert bzw. verbessert werden?
13. In welchem Druckbereich wird gearbeitet?


14. Geeignete Materialien zur Plasmabehandlung:
15. Entstehen giftige oder entflammbare Abgase?
16. Entstehen gesundheitsschädliche Strahlungen während der Plasmabehandlung?
17. Bis zu welcher Schichtdicke kann geätzt werden?
18. Anwendungsmöglichkeiten?

[ Was muss für eine Plasmaanlage bereitgestellt werden (Anschlüsse...)? ]

Für Kleinanlagen ist eine Spannungsversorgung von 230 V und ein Abzug für Abgase der Vakuumpumpe nötig. Größere Anlagen benötigen eine Spannungsversorgung von 400 V, einen Druckluftanschluss mit 5-6 mbar und ebenfalls einen Abzug.

[ Was ist Plasmaaktivieren? ]

Unter Plasmaaktivieren versteht man die Bildung von Radikalstellen an der Oberfläche. Klebstoffe und Lackiersysteme können besser angekoppelt werden. Die Prozesszeiten liegen zwischen 1 - 5 min.

[ Was ist Plasmaätzen? ]

Bei längeren Prozesszeiten (länger als ca. 5 min.) wird Material von der Oberfläche abgetragen. Durch die Ätzung wird die Oberfläche strukturiert und vergrößert. Dadurch entsteht eine bessere Anbindung von Kleb- und Lacksystemen. Die Anwendung ist hauptsächlich auf den Kunststoff-, Elastomer- und Halbleiterbereich beschränkt.

[ Was ist Plasma? ]

Plasma ist ein ionisiertes Gas. Das heißt, neutrale Gasatome werden aufgespalten in Ionen und Elektronen. Um neutrale Gase aufzuspalten muss Energie zugeführt werden. Diese Energie wird dem Plasma mit Hilfe elektrischer Felder zugeführt. Zur Anregung des Plasmas können Gleichspannungsquellen oder Wechselspannungsquellen verwendet werden. Plasmen im Druckbereich unter ca. 10 mbar werden als Niederdruckplasma bezeichnet.

[ Was ist ein Plasmaetcher / Plasma etcher? ]

Plasmaanlagen werden unter anderem auch als "Plasmaetcher / Plasma etcher" (Plasmaätzer) bezeichnet. Mit ihnen können verschiedene Oberlfächen angeätzt werden.

[ Was ist ein Plasmacleaner / Plasma cleaner? ]

Plasmaanlagen werden unter anderem auch als "Plasmacleaner / Plasma cleaner" (Plasmareiniger) bezeichnet. Mit ihnen können verschiedene Oberflächen gereinigt werden.

[ Was ist ein Plasmaasher / Plasma asher? ]

Plasmaanlagen werden unter anderem auch als "Plasmaasher / Plasma asher" (Fotolackverascher) bezeichnet. Mit ihnen können Fotolacke "verascht" d.h. entfernt werden.

[ Verwendbare Gasarten? ]

Hauptsächlich werden folgende Prozessgase verwendet:



- Sauerstoff

- Wasserstoff

- Argon

- Stickstoff

- fluor-haltige Gase und deren Mischungen

[ Können Teile auch nur teilweise geätzt bzw. behandelt werden? ]

Durch eine geeignete Maskierung kann die Oberfläche vor der Plasmabehandlung (auch teilweise) geschützt werden (z. B. ist es beim Kunststoffschweissen notwendig, die Schweiss-Stelle vor der Plasmabehandlung zu schützen, um ein problemloses Schweissen zu gewährleisten).

[ Kann Plasma auch bei materialkombinierten Teilen angewandt werden? ]

Auch materialkombinierte Teile können plasmabehandelt werden (siehe auch Punkt 7).

[ Ist es möglich, Folien zu behandeln? ]

Generell ist es möglich Folien zu behandeln. Es ist jedoch eine aufwendigere Anlagentechnik notwendig. Die Folien werden während des Plasmaprozesses von Rolle zu Rolle gespult.

[ Inwieweit können die Eigenschaften einer Oberfläche verändert bzw. verbessert werden? ]

Grundsätzlich wird durch die Plasmabehandlung die Oberflächenspannung erhöht. Die Oberfläche wird somit besser benetzbar (siehe auch Punkt 9).

[ In welchem Druckbereich wird gearbeitet? ]

Der Arbeitsdruckbereich liegt bei ca. 0,1 bis 1 mbar.

[ Geeignete Materialien zur Plasmabehandlung: ]

Prinzipiell gibt es keine Einschränkung. Entscheidend ist, dass die zu behandelnden Materialien nicht oder nur wenig ausgasen (Vakuumtauglichkeit).

[ Entstehen giftige oder entflammbare Abgase? ]

Durch das Arbeiten im Vakuum ist der Prozessgasdurchsatz sehr gering. Somit entstehen auch nur sehr geringe Emissionen. Das Pumpensystem wird während des Betriebs gespült. Brennbare Gase werden so unterhalb der Explosionsgrenze verdünnt und sind nicht mehr brennbar. Bei Verwendung von giftigen oder Fluor-haltigen Prozessgasen werden zusätzliche Abgas-Filter verwendet.

[ Entstehen gesundheitsschädliche Strahlungen während der Plasmabehandlung? ]

Die entstehenden Strahlungen innerhalb der Plasmakammer werden absorbiert und nicht in den Raum abgegeben. Es besteht keine Gefahr.

[ Bis zu welcher Schichtdicke kann geätzt werden? ]

Die Ätzrate ist abhängig von der angebrachten Leistung und dem Prozessgas. Die Ätzraten liegen zwischen 10 und 100 µ pro Stunde.

[ Anwendungsmöglichkeiten? ]

Plasmabehandlung kann in sehr vielen Bereichen angewandt werden. Die Hauptanwendungen sind aber: Reinigen, Aktivieren, Ätzen und das Beschichten von Oberflächen.

Die Oberfläche wird im Plasma mit einem reaktiven Prozeßgas angeätzt. Material wird abgetragen, in die Gasphase umgesetzt und abgesaugt. Die Oberfläche wird vergrößert und ist sehr gut benetzbar.

Die Oberflächenenergie, auch als Oberflächenspannung bezeichnet, ist ein charakteristischer Wert für die Wechselwirkung der Oberfläche einer kondensierten Phase (Feststoff oder Flüssigkeit) mit ihrer Umgebung, angegeben in mN/m. Die Oberflächenenergie ist ein entscheidendes Kriterium für die Beschichtbarkeit eines Materials und kann durch verschiedene Plasma-Verfahren (z. B. Plasma-Reinigung, Plasma-Ätzen, etc.) erhöht werden.Die Oberflächenenergien von Feststoffen betragen von unter 20 mN/m (z. B. PTFE) bis einige tausend mN/m (Metalle, Diamant). Die Oberflächenenergie eines Feststoffs lässt sich mittels Testtinten abschätzen, eine genauere Bestimmung, getrennt nach polarem und unpolaremen Anteil, ist mit der Ermittlung der statischen Randwinkel verschiedener Testflüssigkeiten auf der betreffenden Oberfläche möglich.

Die meisten Metalle besitzen auf ihrer Oberfläche eine dünne Oxid-Schicht, die sich spontan an Sauerstoff-haltiger Atmosphäre bildet und meist die Oxidation des darunter liegenden Metalls verzögert oder ganz verhindert. Aus diesem Grund sind einige sehr unedle Metalle dennoch sehr stabil gegen korrosive Einflüsse (z. B. Chrom), andere relativ stabil (z. B. Aluminium). Durch gezieltes Verstärken der Oxidschicht kann die Oxidationsbeständigkeit von Metallen in manchen Fällen erhöht werden. Mittels Plasma können die Oberflächenoxide praktisch aller Metalle entfernt werden, wodurch das darunter liegende "nackte" Metall mit sehr hoher Oberflächenenergie freigelegt wird.

Die Oberfläche von Aluminium besitzt eine passivierende Oxidschicht, neigt aber zur Adsorption organischer Verunreinigungen. Das Entfernen der Adsorbate und der Oxidschicht in einem Prozessschritt ist möglich mittels Plasma-Verfahren.

Die Ionenimplantation ist ein Verfahren zur Einbringung von Fremdatomen in ein Grundmaterial zur Änderung von Materialeigenschaften. Hauptsachlich wird die Ionenimplantation zur Einstellung elektrischer Eigenschaften von mikroelektronischen Bauelementen in der Chipherstellung verwendet. Dabei werden Fremdatome ionisiert, elektromagnetisch beschleunigt und in das Substrat, in der Regel Silizium, "eingeschossen". Typische Dotanten sind: Bor, Phosphor, Arsen, Indium, Germanium, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff. Zwei Parameter charakterisieren die Ionenimplantation: die Eindringtiefe und die Dotierungsdichte (Anzahl der Fremdionen pro Volumen). Die Eindringtiefe wird von der Energie der Ionen bestimmt, die von 500 eV bis 3 MeV reichen kann. Die Dotierungsdichte wird von der Dosis (Ionen pro Fläche) bestimmt. Ziel der Ionenimplantation ist das Ändern der Leitfähigkeit, die Amorphisierung der Kristallstruktur (z.B. zur Vermeidung von Channelingeffekten), die Schaffung einer Diffusionsbarriere oder die Veränderung der Oberfläche in Bezug auf nachfolgende chemische Reaktionen. Bei der Implantation lagern sich die Fremdatome zwischen die Gitterplätze des Substrats ein und deformieren dieses. Daher muss das Substrat nach einem Implantationsschritt ausgeheilt werden. Dies geschieht durch einen Hochtemperaturprozess, bei dem die Fremdatome in das Gitter eingebaut und so elektrisch aktiviert werden und die Gitterstruktur wieder hergestellt wird. Die Implantation ist in der Halbleiterindustrie heute das dominierende Verfahren zur Dotierung der Wafer (früher Diffusion).

Die Lackbenetzung kann nach einer Plasmabehandlung verbessert bzw. teilweise auch erst erreicht werden.

Die Lackhaftung kann nach einer Plasmabehandlung verbessert bzw. teilweise auch erst erreicht werden.

Die Lackierbarkeit kann nach einer Plasmabehandlung verbessert bzw. teilweise auch erst erreicht werden.

Die Lackierbarkeit von kunststoffen kann nach einer Plasmabehandlung verbessert bzw. teilweise auch erst erreicht werden.

Diamond-like Carbon, also Diamant-ähnlicher Kohlenstoff. Beschichtungen mit extrem hoher Härte, guten Gleiteigenschaften und Resistenz gegen Korrosion, Säuren und Laugen, die im Plasma-CVD-Verfahren aus Kohlenwasserstoff-Gasen hergestellt werden. Anwendung v. a. auf abrasiv hoch beanspruchten beweglichen Bauteilen (Werkzeuge, Lager, Zahnräder, etc.).

Die Adhäsion von flüssigen Stoffen (Reiniger, Kleber, Lack, Lösungsmittel, polare und unpolare Flüssigkeiten) an Oberflächen, die Benetzung, kann durch eine mit Hilfe von Plasmaverfahren aufgebrachte Beschichtung verändert werden. Eine Möglichkeit, die Benetzbarkeit insbesondere von Kunststoffen zu verändern, ist das Beschichten mit HMDSO, was eine schlechtere Adhäsion von Wasser auf der betreffenden Oberfläche bewirkt, Antihaftbeschichtungen bewirken immer eine Vergrößerung des Kontaktwinkels der Flüssigkeit mit der Oberfläche.(SH)

Die Atome bzw. Moleküle im Plasma werden zum großen Teil zerlegt. Im Vakuum werden durch die hochfrequente elektromagnetische Strahlung nur die Elektronen beschleunigt und aufgeheizt. Alle anderen Teilchen (Ionen, Atome) bleiben kalt und das Plasma wird deshalb nur 40-50 Grad warm.

Die Behandlung von Oberflächen im Plasma kann durch den physikalischen Effekt des Abstäubens von Oberflächenatomen (engl. sputtering) als Feinstreinigung oder auch als Mikrosandstrahlen betrachtet werden, das Plasma stellt gewissermaßen einen Feinstreiniger dar, der zudem eine Mikroaufrauhung der Oberfläche bewirkt(SH)

Die Bildung von Lack-Kratern beruht auf der unvollständigen Benetzung des Nasslacks, meist infolge einer Verunreinigung auf der Substratoberfläche. Durch Plasma-Vorbehandlung lassen sich solche Verunreinigungen entfernen und damit die Bildung von Lackkratern verringern oder ganz unterdrücken.