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WO2007017271A2 - Plasmaerzeugungsvorrichtung und plasmaerzeugungsverfahren - Google Patents

Plasmaerzeugungsvorrichtung und plasmaerzeugungsverfahren Download PDF

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WO2007017271A2
WO2007017271A2 PCT/EP2006/007889 EP2006007889W WO2007017271A2 WO 2007017271 A2 WO2007017271 A2 WO 2007017271A2 EP 2006007889 W EP2006007889 W EP 2006007889W WO 2007017271 A2 WO2007017271 A2 WO 2007017271A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
electrodes
generating device
plasma generating
grid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2006/007889
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2007017271A3 (de
Inventor
Marko Eichler
Michael Thomas
Eugen Schlittenhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to JP2008525480A priority Critical patent/JP2009505342A/ja
Priority to DE112006002127T priority patent/DE112006002127A5/de
Priority to US12/063,328 priority patent/US20090152097A1/en
Publication of WO2007017271A2 publication Critical patent/WO2007017271A2/de
Publication of WO2007017271A3 publication Critical patent/WO2007017271A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • H05H1/2418—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes the electrodes being embedded in the dielectric

Definitions

  • the present invention relates to a plasma generating device and a plasma generation method for producing a Plasmajets, which is particularly suitable for the treatment of sheet goods and of planar and three-dimensional substrates.
  • the substrate is passed between the electrodes. Since the distance between the electrodes is limited due to the increasing with the distance filament filament discharge, not arbitrarily thick substrates can be treated. Furthermore, the discharges form not only in the gas cavities above the surface of the substrate, but also partly between the electrode on which the substrate rests and the substrate. This effect known as backside treatment is often undesirable and often can not be avoided even with costly measures.
  • the substrate In the case of metallic substrates, the substrate usually itself forms the electrode. Since the formation of the discharges depends directly on the formation of the electric field, it comes with non-planar substrates
  • the exiting plasma has a low temperature when using noble gases.
  • large beam diameters as well as distances between substrate and plasma source can be realized.
  • noble gases are very expensive, the use for many applications is not worthwhile.
  • the plasma heats the working gas to some 100 0 C, resulting in
  • Damage to the substrates to be treated can lead.
  • the low energy density of the discharge causes problems here. This requires a small distance between the substrate and the plasma source.
  • DE 43 32 866 A1 discloses a further proposal for the use of dielectrically impeded designs.
  • charges Here, a discharge between an electrode and a grid is ignited, wherein the substrate is located on the side facing away from the electrode of the grid.
  • the substrate is modified by the ultraviolet radiation and / or fast electrons on the surface. Since the diffusion of the excited ions and molecules is very low, they do not contribute to the surface modification, or only directly at the lattice. In particular, the high-energy UV radiation is rapidly absorbed in air, which also severely limits the treatment effect. In addition, the electrons quickly hit with neutral atoms and molecules and have only a very short lifetime and thus range. This severely limits the application of this arrangement.
  • WO 2004/051702 A2 also discloses a plasma generating device for treating substrates with a plasma under atmospheric pressure.
  • This device has two electrodes, which are arranged planar one above the other, wherein a dielectric is located between the electrodes.
  • the lower electrode has a multiplicity of openings through which a plasma stream in each case can emerge in the direction of a substrate.
  • openings here is also a kind of perforated plate in question.
  • the holes are consistently of macroscopic size in this perforated plate, so that large diameter plasma jets are ejected.
  • the object of the present invention is achieved in that a plasma generating device is used which has two electrodes, between which a dielectric is arranged as a discharge barrier. This dielectric barrier prevents the direct short circuit of the electrodes. The electrical power and thus the temperature of the plasma are thus reduced.
  • an opening is arranged as a gas or plasma outlet, through which the plasma can be expelled in the direction of a substrate.
  • a grid, mesh or fabric is now arranged over the cross section of this opening. If several such openings are provided in the electrode, then one, several or even all of these openings can be provided with such a grid, mesh or fabric.
  • the grid, mesh or fabric on a porosity, which characterizes the permeability of the grid, mesh or fabric.
  • This porosity can be varied and determined by weave, number of layers, grain size, shape, distribution, orientation, phase content, etc.
  • the porosity of the mesh, mesh or fabric is between 5% and 70%, advantageously between 30% and 55%.
  • the mesh size of the grid, mesh or fabric is advantageously between 0.0005 mm and 2 mm, advantageously between 0.01 mm and 0.5 mm. All mesh shapes are possible, in particular rectangular or square meshes.
  • the net or fabric can be not only simple, but also woven several times, one or more layers.
  • grids, nets or fabrics can be used which are optically dense or opaque to light.
  • the network can now be arranged on the side of the second electrode facing the first electrode, be arranged inside the opening or else be arranged on the outside of the second electrode facing the substrate.
  • the grid, mesh or fabric is conductive, so that at the same time it also supplement or take over the function of the second electrode can.
  • the grid, mesh or fabric may also be part of the second electrode itself or represent the second electrode in the region of the openings. If the second electrode or the conductive mesh, grid or tissue has the potential of the substrate, then there is no potential difference between the plasma jet and the substrate. It is then also possible to treat conductive surfaces without the formation of heat discharges. In addition, the unwanted backside treatment is avoided for all materials. However, the modifications made by the system on the surface of a substrate are still comparable to those of direct barrier discharge.
  • the shape of the openings can be variable. In particular, it suggests that gaps, slots and / or holes may be used as openings. In particular, in the case of a gap, this may for example be oriented transversely to the feed direction of a substrate. The length of the gap then defines the width of the coated or treated area on the substrate. By suitable choice of the gap length and electrode length, a complete or desired partial treatment of the substrate can thus be achieved, adapted to each substrate.
  • a particular advantage over conventional barrier or "corona" discharges is that the device described operates without a counter electrode and the generated plasma reaches the surface to be treated free of potential, making it possible to treat both conductive, semiconducting and insulating substrates
  • the gap and gas flow are dimensioned such that flow velocities of more than 2 m / s are achieved in the gap.
  • the range of the plasma is increased and it is possible to direct the plasma jet to more distant substrate surfaces.
  • the plasma jet of the device is ideal for modifying surfaces.
  • the system is not dependent on the use of noble gases.
  • gases e.g. Air or nitrogen, oxygen, carbon dioxide, hydrogen, halogen-containing gases and gas mixtures are used.
  • the gas contains only little oxygen or layer-forming substances. Thus, destruction and contamination of the electrode assembly can be avoided.
  • the emerging from the device plasma jet strikes the substrate during the treatment and clings to this. This results in a much wider treatment zone than the gap width or the cross section of the jet measured. As a result, the gap can be selected small, without resulting in a reduction of the treatment zone.
  • the electrode assembly is made long stretched, for example, about 15 cm to about 2 m, advantageously between 10 cm and 150 cm.
  • web goods such as packaging film can be treated in one operation in full width.
  • the duration of treatment results from the width of the plasma jet and the feed rate.
  • the distance of the substrate can be freely selected over the exit length of the jet.
  • the Linearj et the invention relates is also suitable for the surface coating of surfaces.
  • a coating or a gas enriched with a precursor (coating precursor) is fed between two jets, which gas is activated in the discharge and is excited to deposit the layer on the substrate. Since the gap or the net of the jet is traversed by a non-coating gas, no parasitic contamination occurs there.
  • the treatment area can additionally be purged with an inert gas or protected from the ingress of ambient gases. This allows, for example, oxygen-free treatments and coatings to be realized, as well as avoiding unwanted reactions.
  • the excitation of the plasma between the electrodes can be carried out by commercially available corona generators.
  • the discharge can be operated with typical voltages of a few hundred volts to a few tens of kv depending on the breakdown voltage of the gas.
  • the frequency of the AC voltage can also be chosen very freely in the range of a few Hz up to a few MHz.
  • the length of the jet is limited only by the length of the jet Electrodes limited.
  • the gas supply can be homogenized over the entire area via gas distributor.
  • a pressure difference must be created between the two sides of the network. This is typically between 1 mbar and 1 bar, more preferably between 1 mbar and 400 mbar.
  • Plasma are pulsed by an intermittent voltage.
  • the homogenization can also be promoted by the additional introduction of UV radiation.
  • FIG. 1 shows a plasma generation device according to the invention.
  • the description of the figure is the description of an embodiment, but individual aspects that are described in the context of the embodiment, yet as individual aspects own relevance relevant to the invention.
  • FIG. 1 shows the cross section through a plasma generating device according to the invention.
  • This has a first electrode 3, which, in the drawing, below, associated with a second electrode 4 is opposite.
  • the first electrode 3 is surrounded by a dielectric 8, so that by applying a high voltage from the high voltage source 11 to the electrodes 3 and 4, a barrier discharge between the two electrodes 3 and 4 occurs in the gap 2 as a discharge space.
  • the first electrode 3 is surrounded by a housing 14, which has an inlet 10 for a gas stream 12 on the side of the electrode 3 facing away from the electrode 4. This gas flows between the housing 149 and the electrode 3 in the discharge space 2, where it generates a plasma 13 under the high-voltage barrier discharge.
  • the electrode 4 has an opening 5, which is formed in a gap shape. It extends in Figure 1 perpendicular to the plane of the drawing over the entire width of the substrate 7 shown in Figure 1 through this opening a Plasmajet 6 is ejected, which strikes the substrate 7.
  • working gas and plasma gas for example, nitrogen is used here.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the plasma generating device, in which the electrodes 3 and 4 are arranged planar parallel to each other. It is also possible symmetrical arrangements of the two electrodes.
  • a linear jet of 200 mm in length with a gas gap of 1 mm width is operated with 50 slm of nitrogen and a 150 W corona generator.
  • the unit slm designates standard liters per minute, which means that as many gas particles flow out per minute as in a volume of one liter at normal pressure of 1013.25 mbar and normal temperature of
  • the jet treats a BOPP film at a speed of 5 mm / s. Before treatment, the film has a surface energy of 30 tnN / m. After treatment, the surface energy is 60 mN / m.
  • Example 2
  • a silicon wafer is treated with the linear jet as before. Before the treatment, the contact angle of a drop of water on the wafer is 56 °. After treatment, the contact angle is 15 °.

Landscapes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (3, 4), die voneinander beabstandet sind, zur Erzeugung eines Plasmas (13) zwischen den beiden Elektroden (3, 4), einem Dielektrikum (8), das zwischen den beiden Elektroden (3, 4) angeordnet ist, einem Gaseinlass (10) in dem Raum zwischen den beiden Elektroden (3, 4) zur Zufuhr eines plasmaerzeugenden Gases (12), wobei eine der beiden Elektroden (3, 4) mindestens eine Öffnung (5) als Gasauslass aus dem Raum zwischen den beiden Elektroden (3,4) aufweist, durch den das zwischen den beiden Elektroden (3, 4) erzeugbare Plasma (13) parallel zur Richtung des von den beiden Elektroden (3, 4) zwischen den beiden Elektroden (3, 4) erzeugbaren elektrischen Feldes austreibbar ist, wobei über den Querschnitt der mindestens einen Öffnung (5) ein Gitter, Netz und/oder Gewebe (1) angeordnet ist.

Description

Plasmaerzeugungsvorrichtung und Plasmaerzeugungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmaerzeu- gungsvorrichtung sowie ein Plasmaerzeugungsverfahren zur Erzeugung eines Plasmajets, welcher insbesondere für die Behandlung von Bahnenware sowie von planaren sowie dreidimensionalen Substraten geeignet ist.
Modifizierung von Oberflächen mittels Atmosphärendruck-Plasmaverfahren gewinnt immer größere technische Bedeutung. Die Verfahren erlauben zunehmend den Ersatz von umweltproblematischen nasschemischen Prozessen und kostenintensiven Niederdruck-Plasmaver- fahren, welche häufig aufwändig und nur bedingt in- linefähig sind. Mit Atmosphärendruck-Plasmaverfahren können sowohl Feststoffe, Gase als auch Flüssigkeiten behandelt werden. Sie haben sich seit längerem insbesondere bei der Ozonerzeugung und Polymeroberflächen- behandlung etabliert. Bei der Behandlung von Bahnware ist vor allem die Barriereentladung weit verbreitet. Bei dieser Art der Entladung befindet sich zwischen zwei leitfähigen Elektroden mindestens ein Isolator, welcher das direkte Zünden eines Lichtbogens zwischen den Elektroden beim Anlegen einer Spannung verhindert. Bei Anlegen einer mittelfrequenten Wechselspannung von typischerweise einigen kV mit einer Frequenz im kHz- Bereich bilden sich zwischen den Elektroden Mikroent- ladungen, welche zur Reinigung, Aktivierung und Be- schichtung von Oberflächen genutzt werden können.
Zur Behandlung wird das Substrat zwischen den Elekt- roden hindurch geführt. Da der Abstand zwischen den Elektroden aufgrund der mit dem Abstand zunehmenden Filamentierung der Entladung begrenzt ist, können nicht beliebig dicke Substrate behandelt werden. Weiterhin bilden sich die Entladungen nicht nur im Gas- räum über der Oberfläche des Substrates aus, sondern zum Teil auch zwischen der Elektrode, auf der das Substrat aufliegt und dem Substrat. Dieser als Rückseitenbehandlung bekannte Effekt ist oft unerwünscht und lässt sich auch mit aufwändigen Maßnahmen häufig nicht vermeiden.
Bei metallischen Substraten bildet das Substrat meist selbst die Elektrode. Da die Ausbildung der Entladungen direkt von der Ausbildung des elektrischen Feldes abhängt, kommt es bei nicht ebenen Substraten zum
Teil zu extrem inhomogenen Entladungen.
Für die Behandlung ausgewählter Oberflächenbereiche haben die Atmosphärendruck-Plasmaverfahren in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die DE 195 32 412 beschreibt eine zylindrische Düse, in welcher eine direkte Entladung gezündet und ausgeblasen wird. Der Nachteil der Jets liegt insbesondere in der punktförmigen Ausbildung des Plasmastrahls. Dies erschwert die gleichmäßige Behandlung von großen Oberflächen.
Das austretende Plasma hat beim Einsatz von Edelgasen eine geringe Temperatur. Somit können große Strahldurchmesser als auch Abstände zwischen Substrat und Plasmaquelle realisiert werden. Da Edelgase jedoch sehr teuer sind, lohnt sich der Einsatz für viele Anwendungen nicht .
Beim Einsatz von Stickstoff oder Luft erwärmt das Plasma das Arbeitsgas bis auf einige 100 0C, was zu
Schädigungen an den zu behandelnden Substraten führen kann.
Die DE 20 2004 008 285 Ul lehrt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmajets, welche eine elektrisch gesteuerte oder eine dielektrisch behinderte Entladung verwendet. Jedoch bleibt auch hier das Problem der inhomogenen Behandlung aufgrund der punktförmigen Ausbildung des Strahles bestehen.
Die DE 94 056 11 Ul lehrt, eine Barriereentladung so einzusetzen, dass das Substrat sich nicht zwischen den Elektroden befindet. Bei diesem System wird das Plasma zwischen den Elektroden gezündet und aus dem Elektrodenspalt heraus auf das Substrat geblasen.
Probleme bereitet hier insbesondere die geringe Energiedichte der Entladung. Dies bedingt einen kleinen Abstand zwischen Substrat und Plasmaquelle.
Die DE 43 32 866 Al offenbart einen weiteren Vorschlag zum Einsatz von dielektrisch behinderten Ent- ladungen. Hier wird eine Entladung zwischen einer Elektrode und einem Gitter gezündet, wobei sich das Substrat auf der von der Elektrode abgewandten Seite des Gitters befindet. Das Substrat wird durch die ultraviolette Strahlung und/oder schnellen Elektronen an der Oberfläche modifiziert. Da die Diffusion der angeregten Ionen und Moleküle sehr gering ist, tragen diese nicht oder nur direkt am Gitter zur Oberflächenmodifizierung bei. Insbesondere die energiereiche UV-Strahlung wird an Luft schnell absorbiert, was ebenfalls den Behandlungseffekt stark einschränkt. Daneben stoßen die Elektronen schnell mit neutralen Atomen und Molekülen und haben nur eine sehr geringe Lebenszeit und somit Reichweite. Dies schränkt die Anwendung dieser Anordnung erheblich ein.
Die WO 2004/051702 A2 offenbart ebenfalls eine Plasmaerzeugungsvorrichtung zur Behandlung von Substraten mit einem Plasma unter Atmosphärendruck. Diese Vor- richtung weist zwei Elektroden auf, die planar übereinander angeordnet sind, wobei sich zwischen den Elektroden ein Dielektrikum befindet. Die untere E- lektrode weist eine Vielzahl von Öffnungen auf, durch die jeweils ein Plasmastrom in Richtung eines Sub- strates austreten kann. Als Vielzahl von Öffnungen kommt hier auch eine Art Lochblech in Frage. Die Löcher sind jedoch in diesem Lochblech durchgängig von makroskopischer Größe, so dass Plasmastrahlen mit großem Durchmesser ausgestoßen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Plasmaerzeugungsvorrichtung sowie ein Plasmaerzeugungsverfahren zu schaffen, mit denen ein Plasmastrahl erzeugt wird, mit dem ein außerhalb des Plasmaerzeugungsraumes angeordnetes Substrat behandelt werden kann, wobei ein möglichst homogener Gas- ström erzielt werden soll, unter Senkung des Gasverbrauches .
Diese Aufgabe wird durch die Plasmaerzeugungsvorrich- tung gemäß Anspruch 1 sowie des Plasmaerzeugungsverfahrens nach Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Plasmaerzeugungsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Plasmaerzeugungs- verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen An- Sprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass eine Plasmaerzeugungs- vorrichtung eingesetzt wird, die zwei Elektroden auf- weist, zwischen denen ein Dielektrikum als Entladungsbarriere angeordnet ist. Diese dielektrische Barriere verhindert den direkten Kurzschluss der E- lektroden. Die elektrische Leistung und damit die Temperatur des Plasmas werden so verringert. In einer der Elektroden ist eine Öffnung als Gas- bzw. Plasma- auslass angeordnet, durch die das Plasma in Richtung eines Substrates austreibbar ist. Erfindungsgemäß wird nun über den Querschnitt dieser Öffnung ein Gitter, Netz oder Gewebe angeordnet. Sind in der Elekt- rode mehrere derartige Öffnungen vorgesehen, so können eine, mehrere oder auch alle dieser Öffnungen mit einem derartigen Gitter, Netz oder Gewebe versehen sein.
Ein derartiges Gitter, Netz oder Gewebe homogenisiert den Gasstrom und führt zu einer starken Senkung des Gasverbrauches. Denn der Querschnitt der Öffnung wird durch ein derartiges Gitter, Netz oder Gewebe verringert, wobei jedoch gleichzeitig die Strömungsge- schwindigkeit steigt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das Plasma auch durch ein derartiges Gitter, Netz oder Gewebe austreten kann. Vorteilhafterweise weist dabei das Gitter, Netz oder Gewebe eine Porosität auf, welche die Durchlässigkeit des Gitters, Netzes oder Gewebes charakterisiert. Diese Porosität kann durch Webart, Anzahl der Lagen, Korngröße, -form, -Verteilung, -Orientierung, Phasengehalt usw. variiert und bestimmt werden. Vorteilhafterweise liegt die Porosität des Gitters, Netzes oder Gewebes zwischen 5 % und 70 %, vorteilhafterweise zwischen 30 % und 55 %.
Die Maschenweite des Gitters, Netzes oder Gewebes beträgt vorteilhafterweise zwischen 0,0005 mm und 2 mm, vorteilhafterweise zwischen 0,01 mm und 0,5 mm. Es sind alle Maschenformen möglich, insbesondere rechteckige oder quadratische Maschen. Das Netz oder Gewebe kann nicht nur einfach, sondern auch mehrfach gewebt, ein- oder mehrlagig sein.
Insbesondere können Gitter, Netze oder Gewebe verwendet werden, die optisch dicht sind bzw. lichtundurchlässig sind. Bei Verwendung derartiger Netze, Gitter oder Gewebe ist es besonderes vorteilhaft, einen Druckabfall des Plasmas über das Gitter, Netz oder Gewebe zwischen 3 mbar und 50 bar einzustellen.
Das Netz kann nun auf der der ersten Elektrode zugewandten Seite der zweiten Elektrode angeordnet sein, innerhalb der Öffnung angeordnet sein oder auch auf der dem Substrat zugewandten Außenseite der zweiten Elektrode angeordnet sein.
Vorteilhafterweise ist das Gitter, Netz oder Gewebe leitfähig, so dass es gleichzeitig auch die Funktion der zweiten Elektrode ergänzen oder mit übernehmen kann. Das Gitter, Netz oder Gewebe kann auch selbst Teil der zweiten Elektrode sein bzw. die zweite E- lektrode im Bereich der Öffnungen darstellen. Hat die zweite Elektrode bzw. das leitfähige Netz, Gitter o- der Gewebe das Potential des Substrates, so gibt es zwischen dem Plasmastrahl und dem Substrat keine Potentialdifferenz. Es lassen sich dann auch leitende Oberflächen ohne die Ausbildung von heizen Entladungen behandeln. Außerdem wird bei allen Materialien die unerwünschte Rückseitenbehandlung vermieden. Die durch das System so erreichten Modifizierungen auf der Oberfläche eines Substrates sind mit denen der direkten Barrierenentladung jedoch weiterhin vergleichbar.
Die Form der Öffnungen kann variabel sein. Insbesondere bietet sich an, das Spalte, Schlitze und/oder Löcher als Öffnungen verwendet werden. Insbesondere im Falle eines Spaltes, kann dieser beispielsweise quer zur Vorschubrichtung eines Substrates orientiert sein. Die Länge des Spaltes definiert dann die Breite des beschichteten oder behandelten Bereiches auf dem Substrat. Durch geeignete Wahl der Spaltlänge und E- lektrodenlänge kann folglich angepasst auf jedes Sub- strat eine vollständige oder gewünschte teilweise Behandlung des Substrates erzielt werden.
Ein besonderer Vorteil gegenüber konventionellen Barrieren— oder „Corona" -Entladungen liegt darin, dass die beschriebene Vorrichtung ohne Gegenelektrode arbeitet und das erzeugte Plasma die zu behandelnde Oberfläche potentialfrei erreicht. Dies ermöglicht es, sowohl leitende, halbleitende und isolierende Substrate zu behandeln. Ein Isolator im Sinne dieser Erfindung ist auch ein Dielektrikum. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Spalt und Gasfluss so dimensioniert, dass im Spalt Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 2 m/s erreicht werden. Somit wird die Reichweite des Plasmas erhöht und es ist möglich, den Plasmastrahl auch auf weiter entfernte Substratoberflächen zu lenken.
Der Plasmastrahl der Vorrichtung eignet sich hervorragend zur Modifizierung von Oberflächen. Das System ist nicht auf den Einsatz von Edelgasen angewiesen. So können verschiedenste Gase, wie z.B. Luft oder Stickstoff—, Sauerstoff—, kohlendioxid—, Wasserstoff-, halogenhaltige Gase und Gasgemische eingesetzt werden.
Bevorzugt, aber nicht zwingend, enthält das Gas nur wenig Sauerstoff oder schichtbildende Substanzen. Somit können Zerstörungen und Kontaminationen der Elektrodenanordnung vermieden werden.
Der aus der Vorrichtung austretende Plasmastrahl trifft bei der Behandlung auf das Substrat und schmiegt sich diesem an. Dadurch entsteht eine wesentlich breitere Behandlungszone als die Spaltbreite bzw. der Querschnitt des Jets bemisst. Dadurch kann der Spalt klein gewählt werden, ohne dass es zu einer Verringerung der Behandlungszone kommt. Insbesondere wird der Fachmann Spaltbreiten bzw. Durchmesser von 0.1 mm bis 10 mm, insbesondere von 0,3 mm bis 2 mm, insbesondere um 1 mm sowie Spaltlängen zwischen 5 cm und 200 cm, vorteilhafterweise zwischen 10 cm und 150 cm in Betracht ziehen.
Um eine breite Behandlungszone für die Behandlung von Bahnenware oder Blechen zu erhalten, wird die Elektrodenanordnung lang gestreckt ausgeführt, z.B. etwa 15 cm bis etwa 2 m, vorteilhafterweise zwischen 10 cm und 150 cm. Dadurch kann Bahnenware, wie z.B. Verpackungsfolie, in einem Arbeitsgang in voller Breite behandelt werden. Die Behandlungsdauer ergibt sich aus der Breite des Plasmastrahles und der Vorschubgeschwindigkeit .
Der Abstand des Substrates kann über die Austrittslänge des Jets frei gewählt werden.
Der die Erfindung betreffende Linearj et eignet sich auch für die flächige Beschichtung von Oberflächen. Dazu wird zwischen zwei Jets ein beschichtendes oder ein mit einem Precursor (Beschichtungsvorläufer) an- gereichertes Gas eingespeist, welches in der Entladung aktiviert und zur Schichtabscheidung auf dem Substrat angeregt wird. Da der Spalt bzw. das Netz des Jets von einem nicht beschichtenden Gas durchströmt wird, treten dort keine parasitären Kontamina- tionen auf.
Der Behandlungsbereich kann zusätzlich mit einem Inertgas gespült oder vor dem Eindringen von Umgebungsgasen geschützt werden. Dadurch lassen sich zum Beispiel Sauerstofffreie Behandlungen und Beschich- tungen realisieren, als auch unerwünschte Reaktionen vermeiden.
Die Anregung des Plasmas zwischen den Elektroden kann durch handelsübliche Korona—Generatoren erfolgen. Die Entladung kann mit typischen Spannungen von einigen hundert Volt bis einigen 10 kv je nach Durchbruch- spannung des Gases betrieben werden. Die Frequenz der WechselSpannung lässt sich ebenfalls sehr frei im Be- reich von einigen Hz bis zu einigen MHz wählen. Die Länge des Jets ist lediglich durch die Länge der Elektroden begrenzt. Die Gaszuführung kann über den ganzen Bereich über Gasverteiler homogenisiert werden.
Die thermische Energie, welche durch die Entladung entsteht, wird durch das Gas abgeführt. Reicht dies nicht, können die Elektroden oder deren Halterung gekühlt werden. Um einen gewissen Durchfluss zu erreichen, muss zwischen den beiden Seiten des Netzes eine Druckdifferenz erzeugt werden. Diese liegt typischerweise zwischen 1 mbar und 1 bar, besonders bevorzugt zwischen 1 mbar und 400 mbar. Bei der Auswahl einer geeigneten Druckdifferenz wird der Fachmann insbesondere die Anzahl und die Größe der Spalten, den ge- wünschten Gasdurchfluss und die gewünschte Reichweite des Plasmas berücksichtigen
Zur Steuerung der Leistung, der Behandlung und der Beschichtung als auch zur Homogenisierung der Entla- düng zwischen den Elektroden bzw. dem Netz kann das
Plasma durch eine intermittierende Spannung gepulst werden. Die Homogenisierung lässt auch durch das zusätzliche Einbringen von UV-Strahlung fördern.
In einer Weiterführung dieser Anordnung sind neben der parallelen Anordnung der Elektroden (Figur 1) auch weitere Systeme möglich. Dies können z.B. symmetrische Anordnungen sein.
Im Folgenden wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Plasmaerzeugungsvorrichtung und -Verfahrens gege- ben.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Plasmaerzeugungs- Vorrichtung. Bei der Beschreibung der Figur handelt es sich um die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, wobei jedoch einzelne Aspekte, die im Zusammenhang des Ausführungsbeispiels beschrieben werden, dennoch als ein- zelne Aspekte eigene erfindungsrelevante Bedeutung haben .
Figur 1 zeigt den Querschnitt durch eine erfindungs- gemäße Plasmaerzeugungsvorrichtung. Diese weist eine erste Elektrode 3 auf, der, in der Zeichnung, unterhalb, zugeordnet eine zweite Elektrode 4 gegenüber liegt. Die erste Elektrode 3 ist von einem Dielektrikum 8 umgeben, so dass durch das Anlegen einer Hochspannung aus der Hochspannungsquelle 11 an die Elekt- roden 3 und 4 eine Barrierenentladung zwischen den beiden Elektroden 3 und 4 im Zwischenraum 2 als Entladungsraum auftritt. Weiterhin ist die erste Elektrode 3 von einem Gehäuse 14 umgeben, das auf der der Elektrode 4 abgewandten Seite der Elektrode 3 einen Einlass 10 für einen Gasstrom 12 aufweist. Dieses Gas fliest zwischen dem Gehäuse 149 und der Elektrode 3 in den Entladungsraum 2 und erzeugt dort unter der Hochspannungs-Barrierenentladung ein Plasma 13.
Die Elektrode 4 weist eine Öffnung 5 auf, die spalt- förmig ausgebildet ist. Sie erstreckt sich in Figur 1 senkrecht zur Zeichnungsebene über die gesamte Breite des in Figur 1 dargestellten Substrates 7. Durch diese Öffnung wird ein Plasmajet 6 ausgestoßen, der auf das Substrat 7 trifft. Als Arbeitsgas und Plasmagas wird hier beispielsweise Stickstoff verwendet.
Da an die beiden Elektroden 3 und 4 eine Wechselspannung angelegt wird, kann bei Erreichen einer ausrei- chenden Spannung eine Durchbruchfeidstärke zwischen den Elektroden 3 und 4 erreicht werden, so dass das Gas ein Plasma bildet, dass von dem weiter einströmenden Gasstrom 12 aus dem Spalt 5 ausgetrieben wird und als Plasmajet 6 außerhalb der Vorrichtung brennt. In der Öffnung 5 ist weiterhin ein Netz 1 angeordnet, durch das der Plasmaj et 6 hindurchtritt. Dieses Netz besteht aus Edelstahl mit einer Porosität von 45 %. Figur 1 zeigt eine Ausbildung der Plasmaerzeugungs- vorrichtung, bei der die Elektroden 3 und 4 planar parallel zueinander angeordnet sind. Es sind auch symmetrische Anordnungen der beiden Elektroden möglich.
Im Folgenden werden zwei konkrete Ausführungsbeispiele verwendet, die unter Verwendung der Plasmaerzeu- gungsvorrichtung nach Figur 1 durchgeführt wurden.
Beispiel 1
Ein Linear-Jet von 200 mm Länge mit einem Gasspalt von 1 mm Breite wird mit 50 slm Stickstoff und einem Korona—Generator mit 150 W betrieben. Die Einheit slm bezeichnet dabei Standard-Liter pro Minute, was bedeutet, dass pro Minute so viele Gasteilchen ausströmen, wie in einem Volumen von einem Liter bei Normal- druck von 1013,25 mbar und Normaltemperatur von
293.15 K enthalten sind. Der Jet behandelt eine BOPP- Folie mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/s. Vor der Behandlung hat die Folie eine Oberflächenenergie von 30 tnN/m. Nach der Behandlung beträgt die Oberflächen- energie 60 mN/m. Beispiel 2
Ein Silicium-Wafer wird wie zuvor mit dem Linear-Jet behandelt. Vor der Behandlung beträgt der Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf dem Wafer 56°. Nach der Behandlung beträgt der Kontaktwinkel 15°.

Claims

Patentansprüche
1. Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (3, 4), die voneinander beabstandet sind, zur Erzeugung eines Plasmas (13) zwischen den beiden Elektroden (3, 4) , einem Dielektrikum (8), das zwischen den beiden Elektroden (3,4) angeordnet ist, einem Gaseinlass (10) in dem Raum zwischen den beiden Elektroden (3,4) zur Zufuhr eines plas- maerzeugenden Gases (12), wobei eine der beiden Elektroden (3,4) mindes- tens eine Öffnung (5) als Gasauslass aus dem
Raum zwischen den beiden Elektroden (3,4) aufweist, durch den das zwischen den beiden Elektroden (3, 4) erzeugbare Plasma (13) parallel zur Richtung des von den beiden Elektroden (3,4) zwischen den beiden Elektroden (3,4) erzeugbaren elektrischen Feldes austreibbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass über den Querschnitt der mindestens einen Öffnung (5) ein Gitter, Netz und/oder Gewebe (1) angeordnet ist.
2. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass über den Querschnitt mehrerer oder aller Öffnungen (5) ein Gitter, Netz oder Gewebe (1) angeord- net ist.
3. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter, Netz oder Gewebe (1) an der zweiten Elektrode (4) innerhalb oder außerhalb des Raums zwischen den beiden Elektroden (3,4) oder innerhalb der Öffnung (5) angeordnet ist.
4. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter, Netz oder Gewebe (1) eine Porosität zwischen 5 % und 70 %, vorteilhafterweise zwischen 30 % und 55 % und/oder eine Maschenweite zwischen 0,005 mm und 2 mm, vorteilhafterweise zwischen 0,01 mm und 0,5 mm aufweist.
5. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter, Netz oder Gewebe (1) gas- bzw. plasmadurchlässig, jedoch optisch dicht bzw. lichtundurchlässig ist.
6. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter, Netz oder Gewebe (1) derart ausgebildet ist, dass der Druckabfall des Plasmas (6) über das Gitter, Netz oder Gewebe (1) zwischen 3 mbar und 50 bar, vorteilhafterweise zwischen 1 mbar und 1 bar, vorteilhafterweise zweite 1 mbar und 400 mbar beträgt.
7. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter, Netz oder Gewebe (1) elektrisch leitfähig ist.
8. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter, Netz oder Gewebe (1) Teil der zwei- ten Elektrode (4) ist.
9. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter, Netz oder Gewebe (1) Edelstahl, Stahl, Metall und/oder poröses Sintermetall aufweist oder daraus besteht.
10. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, mehrere oder alle Öffnungen (5) als Spalt, Schlitz und/oder Loch ausgebildet sind.
11. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, mehrere oder alle Öffnungen (5) einen einem mit dem Plasmastrahl (6) zu behandelnden Substrat (7) , insbesondere dessen Breite, entsprechenden Querschnitt aufweisen
12. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, mehrere oder alle Öffnungen (5) so ausgebildet sind, dass bei und/oder nach dem Durchtritt des Plasmas (13) dieses eine laminare Strömung aufweist.
13. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, mehrere oder alle Öffnungen (5) als Düse ausgebildet sind.
14. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, mehrere oder alle Öffnungen (5) als Spalt mit einer Breite zwischen 0,1 mm und 10 mm, vorteilhafterweise zwischen 0,3 mm und 2 mm, vorteilhafterweise' zwischen
0,3 mm und 1 mm und/oder mit einer Länge zwischen 5 cm und 200 cm, vorteilhafterweise zwischen 10 cm und 150 cm ausgebildet sind.
15. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (3,4) parallel zueinander oder symmetrisch zueinander angeordnet sind.
16. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Elektrode (3, 4) eine Länge in Richtung der Längsrichtung der Öffnungen (5) zwischen 5 cm und 200 cm, vorteil- hafterweise zwischen 10 cm und 150 cm aufweist.
17. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Elektrode (3, 4) mit einer Hochspannungsquelle (11) verbunden sind.
18. Plasmaerzeugungsverfahren, wobei zwischen zwei beabstandeten Elektroden mittels Barriereentladung ein Plasma erzeugt wird und das Plasma über eine Öffnung in einer der Elektroden aus dem Raum zwischen den beiden Elektroden als Plasmastrahl parallel zur Richtung des zwischen den beiden Elektroden erzeugten elektrischen Feldes ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl durch ein über dem Querschnitt der Öffnung angeordnetes Gitter, Netz und/oder Gewebe geführt wird.
19. Plasmaerzeugungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 erzeugt wird.
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