FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SCHICHT- UND OBERFLÄCHENTECHNIK IST ATMOSPHÄRENDRUCK- PLASMAVERFAHREN

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Joseph Falk
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1 2 ATMOSPHÄRENDRUCK-PLASMAVERFAHREN AM FRAUNHOFER IST Atmosphärendruck-Plasmaverfahren werden in der Industrie heute vor allem zur Aktivierung und Reinigung von Oberflächen eingesetzt.

Weise zu modifizieren oder zu beschichten. Anwendungsbereiche sind u. a.

2 1 2 ATMOSPHÄRENDRUCK-PLASMAVERFAHREN AM FRAUNHOFER IST Atmosphärendruck-Plasmaverfahren werden in der Industrie heute vor allem zur Aktivierung und Reinigung von Oberflächen eingesetzt. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelt kundenorientiert neue Verfahren, die es ermöglichen, unterschiedliche Oberflächen auch auf 3-D-Substraten in geeigneter Weise zu modifizieren oder zu beschichten. Anwendungsbereiche sind u. a. die Mikrosystemtechnik, Medizintechnik, Verpackungs- und Investitionsgüterindustrie, Elektronikindustrie, der Automobilbereich und die Luft- und Raumfahrt. Unser Dienstleistungsangebot Schicht- und Prozessentwicklung Schichtcharakterisierung Fertigung und von Demonstratoren, Prototypen und Kleinserien Unterstützung beim Anlagenbau Beratung und Machbarkeitsstudien Prozessentwicklung Reinigung, Vorbehandlung und Oberflächenmodifikation en durch plasmaunterstützte CVD bei Atmosphärendruck Mikroplasmen, Mikrostrukturierung, Innenbeschichtung Behandlung von dreidimensionalen Bauteilen Kunststoffmetallisierung 1 Strukturierte Metallisierung für flexible Schaltungsträger. 2 Plasmaentladung in synthetischer Luft. Schichtentwicklung Chemische Funktionalisierung von Oberflächen Hydrophile und (super-) hydrophobe en Biokompatible en Barriereschichten auf flexiblen Substraten Haftvermittlung Anti-Reflex-Schichten Schicht-/Prozesscharakterisierung Infrarotspektroskopie Bestimmung der Dichte funktioneller Gruppen Kontaktwinkelmessungen, Bestimmung der freien Oberflächenenergie In-situ-Bondfestigkeitsmessung Rasterelektronenmikroskopie/EDX Optische Emissionsspektroskopie Haftfestigkeitsmessungen Anlagentechnik Atmosphärendruck-Plasmaanlagen zur Reinigung, Aktivierung, Funktionalisierung und RotoTEC-Anlage zur Funktionalisierung oder Aktivierung dreidimensionaler Bauteile SÜSS Bond Aligner mit Plasmatool zur Vorbehandlung von Siliziumwafern im Reinraum Plasma-Printing-Anlagen zur strukturierten Behandlung von Oberflächen Anlage zur Innenbeschichtung von Bauteilen oder Einweg- systemen, wie z. B. Beuteln oder Flaschen

3 4 UNSERE KOMPETENZFELDER Funktionalisierung und Mikroplasmen Der Einsatz von Atmosphärendruck-Plasmaverfahren für die Reinigung von Oberflächen sowie die Aktivierung von Polymerfolien zur

Die am Fraunhofer IST vorhandenen und stetig weiter entwickelten Technologien ermöglichen durch eine geeignete Prozessführung die gezielte Einführung funktioneller Gruppen.

3 3 4 UNSERE KOMPETENZFELDER Funktionalisierung und Mikroplasmen Der Einsatz von Atmosphärendruck-Plasmaverfahren für die Reinigung von Oberflächen sowie die Aktivierung von Polymerfolien zur Verbesserung der Benetzbarkeit ist in der Industrie bereits weit verbreitet. Die am Fraunhofer IST vorhandenen und stetig weiter entwickelten Technologien ermöglichen durch eine geeignete Prozessführung die gezielte Einführung funktioneller Gruppen. Dadurch kann die Haftung von Lacken oder Klebstoffen deutlich verbessert werden, da die Oberflächen direkt auf das reaktive Schichtsystem angepasst werden können. Auf Stahl kann eine solche Haftschicht den klassischen Oberflächenmodifikationen überlegen sein. Durch sprozesse bei Atmosphärendruck können Oberflächenspannungen gezielt eingestellt werden. Auf diese Weise lassen sich hydrophile, hydrophobe und sogar superhydrophobe Oberflächen realisieren. Atmosphärendruck-Plasmaverfahren ermöglichen auch die Herstellung von Barriereschichten auf flexiblen Substraten, etwa zur Vermeidung der Migration von Weichmachern aus PVC: Mit einer nur 300 nm dicken Schicht kann die Migration um 90 Prozent reduziert werden. Neben Kunststofffolien und Glassubstraten können auch Siliziumwafer, Textilien, poröse Substrate und Objekte mit 3-D-Geometrien durch Atmosphärendruck-Plasmaverfahren beschichtet werden. Bei Atmosphärendruck lassen sich Plasmen bereits in sehr kleinen Volumina mit Abmessungen von wenigen Mikrometern erzeugen, so dass Oberflächen auch lokal funktionalisiert werden können. Ein innovatives Verfahren zur lokalen Modifizierung von Oberflächen stellt das Plasma-Printing-Verfahren dar: Durch ein strukturiertes Dielektrikum werden Hohlräume gebildet, in denen sich das Plasma entwickelt. Die typischen Abmessungen der Hohlräume liegen zwischen einigen 10 µm und einigen 100 µm. Das Verfahren erlaubt neben der ortsselektiven Modifizierung von Oberflächen die strukturierte Schichtabscheidung oder Funktionalisierung. Je nach den gewählten Entladungsbedingungen kann eine Vielzahl an funktionellen Gruppen dem Substrat stempelartig aufgeprägt werden. Als Substrate eignen sich unter anderem Polymere, Glas oder Silizium. Mit dem Plasma-Printing-Verfahren lassen sich Flächen mit beliebiger Geometrie, beispielsweise Arrays von Spots, mit besonderen Oberflächeneigenschaften wie Hydrophilie, Hydrophobie oder mit gezielter chemischer Funktionalisierung herstellen. Angewendet werden kann die lokale Funktionalisierung z. B. bei der Herstellung von Oberflächen für den biomedizinischen Bereich (Biochips, DNA-, Protein-, Diagnostik-Chips) sowie zur nachfolgenden lokalen Metallisierung, wie u. a. zur Herstellung von Schaltungsträgern, RFID-Antennen oder Biosensoren. Plasma- Printing kann sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich im Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden.

5 6 7 Biofunktionelle Oberflächen Bondprozesse In der Medizintechnik werden insbesondere bei Einwegsystemen (Disposables) immer häufiger Kunststoffe eingesetzt.

Biomolekülen zur Verfügung zu stellen. Diese Vorbehandlung ist notwendig allerdings mit herkömmlichen Verfahren auch oft sehr teuer.

Durch die Anwendung von Mikroplasmen ist es möglich, die Oberflächen auch selektiv an die gewünschte Anwendung anzupassen oder sogar die bereits gedeckelten Kanäle mikrofluidischer Bauteile zu

4 5 6 7 Biofunktionelle Oberflächen Bondprozesse In der Medizintechnik werden insbesondere bei Einwegsystemen (Disposables) immer häufiger Kunststoffe eingesetzt. Für viele biologische oder medizinische Anwendungen müssen die ver schiedenen Oberflächen jedoch in einem ersten Schritt modifiziert werden, um dann in einem zweiten Schritt z. B. beschichtet werden zu können. Häufig benötigen Einwegsysteme bio kompatible Oberflächen, um das Zellwachstum auf den Oberflächen zu fördern, es gezielt zu verhindern oder um funktionelle Gruppen für die chemische Ankopplung von Biomolekülen zur Verfügung zu stellen. Diese Vorbehandlung ist notwendig allerdings mit herkömmlichen Verfahren auch oft sehr teuer. Atmosphärendruck-Plasmaverfahren sind geeignete Werkzeuge, um kosteneffizient eine Modifizierung der Oberfläche zu erreichen. Durch die Anwendung von Mikroplasmen ist es möglich, die Oberflächen auch selektiv an die gewünschte Anwendung anzupassen oder sogar die bereits gedeckelten Kanäle mikrofluidischer Bauteile zu beschichten. Darüber hinaus können die Oberflächen von 3-D-Substraten, wie Mikrotitierplatten, PCR-Tubes oder Zell kulturbeutel mithilfe dieser Verfahren in geeigneter Weise verändert werden. 3 Innenbeschichtung eines mikrofluidischen Bauteils. 4 Plasma-Tool für einen SÜSS Bond Aligner. 5 Innenbeschichtung eines Beutels. 6 Zellkultivierung im geschlossenen Beutel. Oben: unbeschichtet Unten: beschichtet 7 Komplettsystem zur automatisierten Innenbeschichtung von Beuteln. Neue Materialkombinationen haben in innovativen Prozessen und Produkten eine hohe industrielle Bedeutung. Die Verbindungstechnik ist jedoch oft der Schwachpunkt dieser Produkte. Neben mangelnder Haftung der Klebstoffe auf den Materialien kann insbesondere die Migration durch den Klebstoff die Langzeitbeständigkeit der Werkstoffe deutlich herabsetzen. Eine klebstofffreie Verbindungstechnik für das Fügen homogener wie auch heterogener Materialverbünde ist das Niedrigtemperatur- Bonden. Am Fraunhofer IST werden mittels Atmosphärendruck- Plasmen sowohl anorganische Materialverbünde wie Silizium und Glas als auch organische Materialien wie Polymere bei niedrigen Temperaturen gebondet. Dabei werden die Oberflächen mit chemisch reaktiven funktionellen Gruppen ausgestattet, die bei erhöhter Temperatur miteinander reagieren und dabei feste Bindungen ausbilden können. Für das Bonden von Silizium wurde am Fraunhofer IST eine neue Plasmavorbehandlung entwickelt. Damit lässt sich die für eine gute Haftung notwendige Temperatur von 1000 C auf unter 200 C absenken. Dabei werden Haftkräfte im Bereich der Bruchfestigkeit von Silizium erreicht. Durch die Absenkung der Temperatur lassen sich auch heterogene Materialpaarungen, in denen die Partner in der Regel unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, verbinden.

5 UNSER ANGEBOT Anwendung Prozesse/Verfahren Substrate Zielsetzung Medizintechnik Mikrotiterplatten, Objektträger Funktionalisierung/ Kunststoff, Glas Steuerung der Zelladhäsion und Proteinadsorption Zellkulturbeutel, Mikrofluidische Systeme Innenbeschichtung Kunststoff, Glas Steuerung der Zelladhäsion oder Benetzbarkeit Mikrosystemtechnik Herstellung von MEMS Direktbonden, lokales Beschichten Silizium, Glas Absenkung der Bondtemperatur, Metallisierung, Bondhilfsschichten Luft- und Raumfahrt Entfernung von organischen Kontaminationen Reinigung Verbesserung der Benetzbarkeit Verklebung/Lackierung von Bauteilen Funktionalisierung/ Haftvermittlung Automobilindustrie Verklebung/Lackierung von Bauteilen Funktionalisierung/ Haftvermittlung Elektronikindustrie Herstellung von flexiblen Schaltungsträgern, RFID- Antennen Selektive Funktionalisierung Kunststoff, Glas, Strukturierte Metallisierung Reinigung von Lötoberflächen Reinigung Verbesserung der Benetzbarkeit Kunststoffindustrie Verpackungsfolien, Textilien Funktionalisierung, Aktivierung, Reinigung, Kunststoff Verbesserung der Benetzbarkeit und Adhäsion

KONTAKT Fraunhofer-Institut für Schichtund Oberflächentechnik IST Bienroder Weg 54 E 38108 Braunschweig Leiter der Abteilung»Atmosphärendruckverfahren«Prof. Dr.

6 KONTAKT Fraunhofer-Institut für Schichtund Oberflächentechnik IST Bienroder Weg 54 E Braunschweig Leiter der Abteilung»Atmosphärendruckverfahren«Prof. Dr. Claus-Peter Klages Telefon claus-peter.klages@ist.fraunhofer.de Leiter der Gruppe»Atmosphärendruck-Plasmaverfahren«Dr. Michael Thomas Telefon michael.thomas@ist.fraunhofer.de

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