Sauberes Ätzen ohne ätzende Chemie

Ätzen trägt Materialoberflächen ab 

  • Zur Reinigung
  • Zur Aufrauung
  • Zur Strukturierung

Das Ätzmittel muss die Oberfläche angreifen. Es ist deshalb ein chemisch reaktives Medium, das zumindest auf dem zu ätzenden Material aggressiv wirkt.
Meist aber nicht nur auf diesem Material, sondern auch auf vielen anderen.
Übliche flüssige Ätzmedien sind deshalb in hohem Maße umwelt- und gesundheitsschädlich und erfordern besondere Verfahren und Sicherheitsmaßnahmen bei Transport, Lagerung, Verwendung und Entsorgung.

Ätzen mit Plasma

Plasma ist ein chemisch reaktives und aggressives Medium. Niederdruckplasma existiert aber nur in der vollkommen abgedichteten Plasmakammer. Das reaktive Medium sind die aktiven Spezies: 

  • Ionen
  • Angeregte Atome
  • Radikale
  • UV-Strahlung

Bei Erlöschen des Plasmas verschwinden alle aktiven Spezies augenblicklich, das Prozessgas ist nicht mehr aggressiv. Im Allgemeinen sind Prozessgase wie Sauerstoff, Stickstoff, Argon oder Wasserstoff völlig unschädlich, wenn sie nicht ionisiert sind.

Plasmaätzen erfordert also keine besonderen Maßnahmen zum Gesundheits- und Umweltschutz. Einige Substrate können zu umweltbedenklichen Kohlenwasserstoffen abgebaut werden. In diesem Fall wird in das Vakuumsystem ein Aktivkohlefilter integriert, der solche Substanzen auffängt.

 

 

Ätzen mit Sauerstoff

Die aggressive Wirkung des Sauerstoffplasmas auf Kohlenwasserstoffe wird zur Entfernung von Ölen, Fetten und Trennmitteln von Oberflächen genutzt.

In gleicher Weise wirkt Sauerstoff aber auch auf Substrate, die auf Kohlenwasserstoffen basieren, insbesondere auf fast alle Kunststoffe.

Etching
Gereinigte Kunststoffoberfläche
Trotz gereinigter und aktivierter
Oberfläche ist die Klebehaftung
oft nicht gut
Etching
Sauerstoffplasma greift
ebenso wie organische
Verschmutzungen auch
organische Polymere an.
Dadurch wird die Kunststoff-
oberfläche geätzt
Etching
Oberflächenschichten
werden abgetragen.
Die Oberfläche wird im
Nanomaßstab augeraut.
Die vergrößerte Ober-
fläche sorgt für eine
wesentlich bessere Klebehaftung

Durch Plasmaätzung im Sauerstoffplasma findet eine Nano-Aufrauung von Kunststoffoberflächen statt. Die Oberflächenvergrößerung optimiert den Haftverbund bei jeder Art von Verklebung, Beschichtung oder Lackierung.

Durch Steuerung von Intensität und Dauer der Oberflächenbehandlung im Sauerstoffplasma wird bestimmt, ob eine Oberfläche nur gereinigt, aktiviert oder auch geätzt werden soll.

Nach dem Sauerstoffätzen wird auch POM (Polyoxymethylen, Delrin, Hostaform) verklebbar.

Aber immer noch kein PTFE.

Ätzen von PTFE

Es ist eine der hervorragenden Eigenschaften der vollständig fluorierten Kohlenwasserstoffe wie PTFE, dass sie nahezu gegen alle chemischen Angriffe resistent sind. Diese Eigenschaft verhindert aber auch nahezu jede chemische Oberflächenbehandlung. Außerdem hat PTFE die geringste Oberflächenenergie aller festen Materialien. Deshalb gelten diese Substrate auch als nicht verklebbar, bedruckbar oder lackierbar.

Auch im Sauerstoffplasma kann PTFE nicht geätzt werden.

Dennoch kann selbst PTFE durch Plasmabehandlung verklebbar werden.

Die Behandlung erfolgt im Wasserstoffplasma. Den Prozess kann man als Aktivierung oder als Ätzung einordnen. Verantwortlich für die Unverklebbarkeit des PTFE ist die äußerst stabile C-F- Bindung, die jede Anlagerung anderer Atome und Moleküle verhindert. Im Plasma kann jedoch selbst die C-F- Bindung aufgespaltet werden. Wasserstoff-Ionen, -radikale und angeregte Atome binden die kurzzeitig freien Fluor-Radikale zu Fluorwasserstoff (HF). Dadurch verbleiben am Fluorcarbon-Polymer für einige Zeit ungesättigte Kohlenstoffbindungen, welche die Anlagerung von Klebstoffkomponenten erlauben.

Etching PTFE
Die C-F-Bindungen
von PTFE sind so stabil,
dass keine chemische
Reaktion möglich ist.
Auch eine Benetzung
von PTFE ist nicht mög-
lich
Etching PTFE
Wasserstoffplasma ist
dennoch in der Lage, C-F-
Bindungen aufzubrechen.
Die freien Fluor-Atome ver-
binden sich mit Wasser-
stoffatomen zu Fluorwasser-
stoff.
Etching PTFE
Dadurch entstehen
vorübergehend freie
Kohlenstoffbindungen,
an denen sich Kleb-
stoffmoleküle anla-
gern können.

Mikrosandstrahlen

Im Sauerstoffplasma können nur Kohlenwasserstoffe entfernt werden. Auch anorganische und mineralische Rückstände können durch rein physikalisches Ätzen durch Ionenbeschuss entfernt werden. Man verwendet Edelgasplasmen, vorzugsweise Argon, in denen es als aktive Spezies nur Ionen gibt.

Der Prozess ist mit dem Sandstrahlen vergleichbar, nur dass die "Sandkörner" und die Ätztiefen atomare Dimensionen haben.

Micro sandblasting
Oberfläche mit beliebiger
organischer oder anorga-
nischer Verschmutzung
Micro sandblasting
Argonionen mit hoher
kinetischer Energie
schlagen Atome und
Moleküle von der Substrat
oberfläche weg,
Micro sandblasting
So können beliebige
Verschmutzungen bei
kleinen Ätzraten entfernt werden.
Micro Sandblasting
Auch die Substratoberfläche
selbst kann durch Mikro-
Sandstrahlen geätzt werden
Micro sandblasting
Die hohe Aufprallenergie der
Ionen schlägt Substratmoleküle
aus der Oberfläche
Micro sandblasting
Dadurch entsteht unabhängig
vom Material des Substrats
eine mikroaufgeraute
Oberfläche.

Fluorhaltige Ätzgase

Gesättigte Fluorverbindungen sind im allgemeinen äußerst stabil. Tetrafluormethan (CF4) oder Schwefelhexafluorid (SF6) sind deshalb normalerweise absolut inerte Gase, die nicht zur chemischen Reaktion zu bewegen sind.

Durch Plasmaanregung werden Fluor-Radikale abgespalten. Als Rest verbleiben CF2- oder CF3-Radikale bzw. SF5-, SF4- ... -Radikale. Diese Aktiven Spezies sind äußerst reaktiv und ätzen auch sehr stabile Substrate wie z.B. Quarzglas. Fluorhaltige Ätzgase werden oft in der Mikroelektronik zum Ätzen von Halbleitern und Halbleiteroxiden verwendet.