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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-74696
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7469/


Stöhr, Uwe

Development and applications of stamps for area-selective plasma treatment and plasma-enhanced coating

Entwicklung und Anwendungen von Stempeln für ortsaufgelöste Plasmabehandlung und plasmaunterstützte Beschichtung

Dokument1.pdf (6.918 KB) (md5sum: c0208860a1535fc14fa573b2798c1b7d)

Kurzfassung in Deutsch

Plasmabehandlungen sind in industriellen Prozessen weit verbreitet. Für Anwendungen in Biotechnologie, Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik ist es erforderlich, definierte Substratbereiche zu behandeln. Dies wird bisher meist durch Niederdruckprozesse erreicht. Mit dem „Plasmaprinting“-Prozess ist dies auch bei Atmosphärendruck möglich. Die dafür verwendeten mikrostrukturierten Werkzeuge, genannt Plasmastempel, beruhen auf dem Prinzip der dielektrischen Barrierenentladung. Mit Plasmastempeln ist es möglich, verschiedene Materialien einschließlich Polymere ortsselektiv zu behandeln.

In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Stempelkonzepte entwickelt, die es ermöglichen, den Plasmakammern kontinuierlich Prozessgas für die Plasmabehandlung zuzuführen.Ein Konzept wurde für die Behandlung ebener Substrate entwickelt. Die Stempel bestehen dabei aus einer Platte, auf die ein trockener Permanentfotolack auflaminiert wird. Der Lack wird anschließend strukturiert, um Kavitäten zu erhalten. Durch Pressen des Stempels auf ein ebenes Substrat bilden die Kavitäten geschlossene Kammern, in denen die Plasmabehandlung stattfindet. Demzufolge wird das Substrat nur an den Stellen mit Plasma behandelt, über denen sich Kavitäten befinden. Durch die Verwendung von Fotolack ist es möglich, Kavitäten mit Abmessungen bis zu 10 µm herzustellen. Für diesen Zweck wurde ein neuartiger, laminierbarer Fotolack untersucht und ein Prozess entwickelt, um damit mehrlagige Strukturen zu erstellen.Aus diesem Konzept wurden zwei Stempeltypen entwickelt: Der mehrlagige Typ besteht aus einer gasdichten Platte und mehreren Lagen strukturierten Fotolacks. Die mehrlagigen Strukturen beinhalten ein Kanalnetzwerk für die Zuführung von Prozessgas. Der andere poröse Typ besteht aus einer poröse Platte und einer Lage strukturierten Fotolacks. Den Kavitäten des Stempels kann Prozessgas durch die Poren zugeführt werden. Bei diesem Stempeltyp ist daher kein Gaskanalnetzwerk erforderlich.Für die Behandlung von Oberflächen dreidimensionaler Strukturen wurde ein zweites Stempelkonzept entwickelt. Der Stempel besteht dabei nicht aus Fotolack und besitzt nur eine Kavität. Die Plasmakammer wird durch einen definierten Spalt zwischen Substrat und Stempel gebildet.

Der Herstellungsprozess der Plasmastempel wird detailliert erläutert, und die Stempel werden bezüglich ihrer finalen Geometrie und Langzeitstabilität analysiert. Die Stempeltypen werden miteinander verglichen und diskutiert.

Der Aufbau des Gaskanalnetzwerks der mehrlagigen Stempel wird durch Berechnungen hergeleitet. Das Netzwerk ist so ausgelegt, dass entweder alle oder nur ein Teil der Stempelkavitäten mit unterschiedlichen Prozessgasen gefüllt werden können. Auf diese Weise können die Kavitäten gezielt angesprochen werden, um entweder mehrere Plasmabehandlungen gleichzeitig durchzuführen oder Plasma nur in einigen Kavitäten zu haben.

Basierend auf dem Prinzip der dielektrischen Barrierenentladung wurde eine nicht-optische Plasmakontrolle entwickelt, mit der zu erkennen ist, ob Plasma brennt, und mit der die tatsächliche Behandlungszeit kontrolliert werden kann. Mit dieser Methode kann der komplette Plasmaprinting-Prozess automatisiert werden. Eine Umsetzung der Methode wird vorgestellt und der verwendete Aufbau wird diskutiert.

Mit Hilfe der Plasmakontrolle wurden die Stempel bezüglich Ortsauflösung der Plasmabehandlung und möglicher chemischer Oberflächenmodifikation und -beschichtung getestet. Die Tests beinhalteten Oberflächenaktivierung, Änderung des Kontaktwinkels von Wassertropfen und plasmaunterstützte Beschichtung. Die Ortsauflösung beträgt 10 µm für Oberflächenaktivierung sowie plasmaunterstützte Beschichtung, und mindestens 27 µm für chemische Oberflächenmodifikation.Die Stempel für die Behandlung von Oberflächen dreidimensionaler Strukturen wurden verwendet, um Polymerase-Kettenreaktions-Gefäße zu behandeln. Es wird gezeigt, wie eine Plasmabehandlung der Reaktionsgefäße die Präparation für die Polymerase-Kettenreaktion und damit die Gesamtprozesszeit verkürzen kann. Diese Stempel wurden zudem benutzt, um einen allgemeinen Überblick zu geben, wie die Oberfläche von Polypropylen durch den Plasmaprinting-Prozess verändert werden kann.

Die Eignung der Plasmastempel-Konzepte zur Modifikation und Beschichtung unterschiedlicher 2D und 3D-Geometrien wurde nachgewiesen, indem Substrate mit Polymeren, Metallen und Isolatoren beschichtet wurden.


Kurzfassung in Englisch

Plasma treatments are widely used in industrial processes. For applications in the fields of biotechnology, microelectromechanical systems and microelectronics it is required to treat only defined parts of a substrate. This is currently mostly achieved by low pressure processes. By using the “plasma printing” process this is also possible at atmospheric pressure. The microstructured tools, called plasma stamps, used for this process are based on the principle of dielectric barrier discharge (DBD). Using plasma stamps it is possible to area-selectively treat various substrate materials, including polymers.

In this work two different plasma stamp concepts were developed. They provide the feature to deliver process gas for the plasma treatment continuously to the plasma chambers.One concept was developed to treat flat substrates. The stamps hereby consist of a plate upon that a dry film permanent photoresist is laminated. The resist is afterwards structured to obtain cavities. By pressing the stamp onto a flat substrate the cavities form closed chambers where the plasma-treatment takes places. Hence the substrate is only plasma-treated at areas beneath the cavities. By using photoresist it is possible to fabricate cavities with dimensions down to 10 µm. For this purpose a novel type of laminatable dry film photoresist was investigated and a process was developed to use it for building multi-layer structures.Out of this concept two types of stamps were developed. The multi-layer type consists of a gas-proof plate and multiple layers of structured photoresist. The multi-layer structures contain a channel network to deliver process gas. The porous type consists of a porous plate and one layer of structured photoresist. The cavities can be feed with process gas through the pores. A gas channel network is therefore not necessary for these type of stamps.For the treatment of surfaces of three-dimensional structures a second stamp concept was developed. The stamp does not consist of photoresist and has only one cavity. The plasma chamber is formed by a defined gap between the substrate and the stamp.

The manufacturing process of the plasma stamps is explained in detail. The stamps are analyzed in terms of their final geometry and long term stability. The types of stamps are compared and discussed.

The layout of the gas channel network of the multi-layer stamps is derived from calculations. The network is designed so that either all or only a part of the stamp cavities can be feed with different process gases. It is therefore possible to address the cavities to perform either different plasma treatments at once or to have plasma only in a certain number of cavities.

Based on the principle of DBD a non-optical plasma control method was developed that allows to detect if plasma is burning and to control the actual treatment time. Using this method the whole plasma printing process can be automated. An implementation of the method is presented and the used setup is discussed.

Using the plasma control the plasma stamps were tested in terms of spatial resolution of the plasma treatment, possible chemical surface modification as well as surface coating. The tests included surface activation, modification of the water droplet contact angle and plasma-enhanced coating. The spatial resolution is 10 µm for surface activation and plasma-enhanced coating, and at least 27 µm for chemical surface modification.The stamps to treat surfaces of three-dimensional structures were used to treat polymerase chain reaction (PCR) tubes. It is shown how a plasma treatment of the tubes can shorten the preparation for the PCR and thus the overall process time. These stamps were also used to give a general overview how the surface of polypropylene can be modified by the plasma printing process.

The applicability of the plasma stamp concepts for the modification and and coating of 2D and 3D geometries was verified by coating substrates with polymers, metals and insulators.


SWD-Schlagwörter: PECVD-Verfahren , LEPECVD-Verfahren , Atmosphärendruckplasma , Beschichtung , MEMS , Photoresist , Polymerase-Kettenreaktion
Freie Schlagwörter (englisch): dielectric barrier discharge , area-selective plasma treatment , dry film photoresist , PECVD , PCR
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Reinecke, Holger (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.04.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 04.05.2010
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