Plasmatechnologie

Plasmaquellen

Das Fraunhofer IWS bietet eine Vielzahl von plasmagestützten Verfahren zur Abscheidung (PECVD) von funktionalen Dünnschichten (10 - 1000 nm) bzw. zum Ätzen (PECVE) oder der Oberflächenbehandlung unterschiedlichster Materialien an. Die Verfahren arbeiten überwiegend bei Atmosphärendruck und unterscheiden sich in der Art der Plasmagenerierung (Lichtbogen- und Mikrowellenplasma) und -nutzung. Sie können an effiziente Durchlaufprozesse angepasst werden.

Kernstück der plasmagestützten Verfahren sind die LARGE-, die Cyrannus®- bzw. DBD-Plasmaquelle. An der Entwicklung einer weiteren linearen Plasmaquellen, die auf MW-Technik basiert, wird z. Zt. gearbeitet. Für unterschiedliche Anforderungen stehen derzeit mehrere LARGE-Plasmaquellen (80, 150, 250, 350 mm), je eine 6“ bzw. 12“-Cyrannus® sowie eine DBD-Plasmaquelle zur Verfügung.

LARGE-Plasmaquelle

Funktionspronizip der LARGE-Plasmaquelle
© Fraunhofer IWS Dresden

Funktionspronizip der LARGE-Plasmaquelle

80 mm LARGE-Plasmaquelle
© Fraunhofer IWS Dresden

80 mm LARGE-Plasmaquelle

Funktionsprinzip

Zwischen axial gegenüber liegenden Elektroden wird in leicht ionisierbarer Atmosphäre ein Lichtbogen bei Atmosphärendruck gezündet. Der Abstand zwischen den Elektroden bestimmt die Arbeitsbreite der Plasmaquelle. Der freibrennende Lichtbogen wird durch gekühlte Kupferwände, durch die Gasanströmung und -umströmung des Lichtbogens selbst und durch ein permanent entgegenwirkendes Magnetfeld im Gleichgewicht gehalten. Um einen Kurzschluss zwischen Anode und Katode durch das Kupfer zu vermeiden und der Forderung nach einer beliebigen Lichtbogenlänge nachzukommen, ist der Kupferblock durch einzelne, voneinander isolierte Kupferplatten kaskadiert ausgeführt. Damit ist jede gewünschte Lichtbogenlänge (getestete Maximallänge: 350 mm), die mit der Arbeitsbreite gleichzusetzen ist, realisierbar.

Durch das Vorschalten eines Flanschsystems können dem potenzialfreien Plasmajet verschiedene Substanzen (Precursoren, Reaktivgase, Pulver usw.) remote zugeführt und damit Schichten abgeschieden oder Materialien geätzt werden ohne die Plasmaquelle zu beschädigen.

Technische Daten

  • Lichtbogenlänge / Arbeitsbreite: in 5 mm-Schritten skalierbar bis 350 mm (bautechnisch demonstriert)
  • Generator: Gleichstrom
  • Leistung: 15 - 35 kW (abhängig von der Lichtbogenlänge)
  • Plasmajettemperatur: abhängig vom Prozessgas und Abstand
  • Beispiel 150-mm-LARGE: 8 cm Arbeitsabstand, 140 slm Prozessgas: N2 => 1290 °C, Druckluft => 1010 °C, Ar+N2 => 580 °C
  • Plasmagase: Druckluft, Ar, N2, O2, CO2, H2

Produkt

Mit dem Mobilen LARGE steht dem Kunden erstmalig eine LARGE-Plasmaquelle als Leihgerät für Versuche vor Ort zur Verfügung.

Cyrannus®-Plasmaquelle

Funktionsprinzip des Mikrowellen-PECVD-Verfahrens im Remoteprozess
© Fraunhofer IWS Dresden

Funktionsprinzip des Mikrowellen-PECVD-Verfahrens im Remoteprozess

Funktionsprinzip

In der zylinderförmigen Cyrannus®-Plasmaquelle wird mittels Mikrowellenstrahlung (2,45 GHz) ein Volumenplasma generiert. Die eingespeisten Plasmagase werden angeregt und durch die Gasströmung aus der Quelle heraus zum Substrat getragen. Die schichtbildenden oder ätzenden Gase oder Dämpfe werden nahe dem Substrat zugeben. Damit wird die für kontinuierliche Prozesse erforderliche Langzeitstabilität gesichert und die Gefahr einer Substratschädigung durch Ionenbeschuss aus dem Plasma ausgeschlossen.

Technische Daten

  • Frequenz: 2,45 GHz
  • Arbeitsbreite: < 160 mm
  • Leistung: 10 kW
  • Plasmagase: Ar, O2, N2, H2, NH3

DBD-Plasmaquelle

DBD-Konfigurationen: (v.l.n.r.) planar, koaxial Außenelektroden, koaxial mit Innenelektrode
© Fraunhofer IWS Dresden

DBD-Konfigurationen: (v.l.n.r.) planar, koaxial Außenelektroden, koaxial mit Innenelektrode

Koaxiale DBD-Anordnung zur präzisen lokalen Anwendung
© Fraunhofer IWS Dresden

Koaxiale DBD-Anordnung zur präzisen lokalen Anwendung

Dielectric Barrier Dischcharge-Plasmen zeichnen sich durch einfache Verfügbarkeit bei Atmosphärendruck und moderate Leistungsdichten aus. Daher sind diese Plasmen ideal geeignet um temperatursensible Substrate (bspw. Kunststoffe) zu reinigen, zu aktivieren oder zu beschichten.

Industriell werden diese Plasmen häufig verwendet um die Benetzbarkeit mit Klebstoffen oder die Bedruckbarkeit zu verbessern.

Das Fraunhofer IWS verfügt über planare sowie koaxiale DBD-Plasma-Konfigurationen sowie über Generatortechnik mit sinusförmigen bzw. rechteckförmigen HV-Ausgangsspannungen. Diese können an die jeweilige Aufgabe angepasst werden.

Technische Daten planare DBD-Plasmaquelle

  • Generator: 16 kHz Sinus
  • Leistung: 1 kW
  • Plasmagase: Ar, N2, O2, CO2, usw.
  • Elektrodenabstand: 2 mm