Übersicht
Was ist ein Plasma?
Unter einem Plasma versteht man ein teilweise ionisiertes Gas, so wie es zum Beispiel auch in der Natur in Blitzen vorkommt. Plasma wird gemeinhin auch „der vierte Aggregatzustand“ von Materie genannt, denn führt man einem Feststoff Energie zu, wird er flüssig, führt man weiter Energie zu, wird er gasförmig und schlussendlich erhält man ein Plasma.
Wie wird das Plasma erzeugt?
Eine definierte Menge Gas wird in eine Kammer eingelassen. Die Energie zur Erzeugung des Plasmas wird durch ein elektromagnetisches Wechselfeld eingebracht. Je nach Anwendung liegt die Frequenz des Feldes Im Bereich von MHz, GHz oder kHz.
Aufbau einer typischen Plasmaanlage
Eine Niederdruckplasmaanlage setzt sich prinzipiell aus folgenden Hauptkomponenten zusammen: einer Vakuumkammer, einer Vakuumpumpe, einem Gasverteilungssystem, einem Plasmagenerator mit Elektrodensystem sowie einem Schaltschrank mit Steuerrechner.
Der Prozess zur Reinigung, Aktivierung oder Beschichtung von Bauteilen erfolgt in mehreren Schritten:
- Einlegen der Bauteile: Die zu bearbeitenden Bauteile werden in die Vakuumkammer eingebracht.
- Evakuierung der Kammer: Die in der Kammer befindliche Luft wird mithilfe einer Vakuumpumpe abgesaugt, bis der voreingestellte Basisdruck (gewünschtes Vakuum) erreicht ist.
- Einleitung der Prozessgase: Nach Erreichen des Basisdrucks werden gezielt Prozessgase in die Kammer eingeleitet.
- Plasmagenerierung: Die eingeleiteten Prozessgase werden durch den Plasmagenerator und das Elektrodensystem ionisiert, wodurch das Plasma entsteht. Während des laufenden Prozesses wird das Prozessgas kontinuierlich über die Vakuumpumpe abgeführt. Dadurch bleibt immer frisches Prozessgas im Kreislauf, und entstandene Abbauprodukte werden effizient entfernt.
- Bearbeitung der Bauteile: Im Plasma werden die Bauteile je nach Prozessauswahl wahlweise gereinigt, aktiviert und/oder beschichtet.
- Beendigung des Prozesses: Nach Ablauf der voreingestellten Prozesszeit werden der Generator, die Gaszufuhr und das Abpumpen gestoppt. Anschließend wird die Vakuumkammer über ein Belüftungsventil wieder belüftet.
- Entnahme der Bauteile: Die fertig bearbeiteten Bauteile können nun aus der Kammer entnommen werden.
Was passiert im Plasma?
Im Plasma treten 3 Effekte parallel auf:
- Fragmentierung – chemische Bindungen in den Gasmolekülen werden aufgebrochen, so dass hochreaktive Radikale entstehen.
- Ionisation – es werden Elektronen aus der Atomhülle entfernt. Die entstehenden freien Elektronen und Ionen sind reaktiv.
- Anregung – Elektronen werden auf ein anderes Energieniveau in der Atomhülle gehoben. Nach kurzer Zeit fallen sie wieder auf ihr Grundniveau wobei elektromagnetische Strahlung frei wird.
Wie wird das Plasma genutzt?
Die Anregung wird z.B. in Leuchtstofflampen genutzt.
Die Ionisation und Fragmentierung kann für folgende Anwendungen verwendet werden:
Reinigung
Die Radikale im Plasma reagieren chemisch mit den Molekülen der Verschmutzung auf der Oberfläche. Bei Verschmutzung mit Kohlen-wasserstoffen entsteht daraus im Sauerstoffplasma Wasserdampf und Kohlendioxid, die beide gasförmig sind und aus der Kammer gepumpt werden.
Oberflächenaktivierung
Die Radikale und Ionen des Plasmas reagieren mit einigen Molekülen der Oberfläche. Im Fall von Kunststoffen werden im Sauerstoffplasma einige Kohlenstoffatome oxidiert und es lagern sich Sauerstoffatome an. Es entstehen so auf der Oberfläche chemisch reaktive Hydroxygruppen.
Beschichtung
Die Radikale und Ionen des Plasmas reagieren mit den Molekülen der Oberfläche. Es entsteht so eine chemische Bindung zwischen der Oberfläche und der Schicht. Die Schicht baut sich durch das Anlagern weiterer Radikale und Ionen aus dem Plasma auf.
Plasma wird für die Beschichtungstechniken PECVD, PEALD und Sputtern verwendet.
