EP2198447A2 - Vorrichtung zur plasmabehandlung von werkstücken - Google Patents

Vorrichtung zur plasmabehandlung von werkstücken

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Publication number
EP2198447A2
EP2198447A2 EP08801174A EP08801174A EP2198447A2 EP 2198447 A2 EP2198447 A2 EP 2198447A2 EP 08801174 A EP08801174 A EP 08801174A EP 08801174 A EP08801174 A EP 08801174A EP 2198447 A2 EP2198447 A2 EP 2198447A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
dielectric
gas lance
chamber
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08801174A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sönke SIEBELS
Sebastian Kytzia
Hartwig Müller
Felix Tietz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KHS GmbH
Original Assignee
KHS Corpoplast GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KHS Corpoplast GmbH filed Critical KHS Corpoplast GmbH
Publication of EP2198447A2 publication Critical patent/EP2198447A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C16/045—Coating cavities or hollow spaces, e.g. interior of tubes; Infiltration of porous substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45563—Gas nozzles
    • C23C16/45578—Elongated nozzles, tubes with holes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
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    • C23C16/511—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using microwave discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means

Definitions

  • the invention relates to a device for plasma treatment of workpieces, which has at least one evacuatable plasma chamber for receiving the workpieces and in which the plasma chamber is arranged in the region of a treatment station, and in which limits the plasma chamber of a chamber bottom, a chamber lid and a lateral chamber wall is and has a positionable gas lance.
  • Such devices are used, for example, to provide plastics with surface coatings.
  • such devices are already known to coat inner or outer surfaces of containers intended for the packaging of liquids.
  • facilities for plasma sterilization are known.
  • PCT WO 95/22413 describes a plasma chamber for internal coating of PET bottles.
  • the bottles to be coated are lifted into a plasma camera through a movable floor and connected to an adapter in the area of a bottle mouth. Through the adapter, an evacuation of the bottle interior can take place.
  • a hollow gas lance is inserted through the adapter into the interior of the bottles to supply process gas. Ignition of the plasma occurs using a microwave.
  • EP-OS 10 10 773 a feeder is described to evacuate a bottle interior and to supply with process gas.
  • PCT-WO 01/31680 a plasma chamber is described in which the bottles are introduced by a movable lid which has been previously connected to a mouth region of the bottles.
  • PCT-WO 00/58631 likewise already shows the arrangement of plasma stations on a rotating wheel and, for such an arrangement, describes a group-wise assignment of vacuum pumps and plasma stations in order to assist a favorable evacuation of the chambers as well as the interior spaces of the bottles.
  • the coating of several containers in a common plasma station or a common cavity is mentioned.
  • a gas lance is already described, which is retractable into the interior of a preform to be coated and serves for the supply of process gases.
  • the gas lance is positionable in the longitudinal direction of the container.
  • plasma layers of silicon oxides having the general chemical formula SiOx produced by the plasma are used to improve the barrier properties of the thermoplastic material.
  • Such barrier layers prevent the penetration of oxygen into the packaged liquids as well as leakage of carbon dioxide in CO2-containing liquids.
  • the hitherto known devices are not yet sufficiently adapted to be used for mass production, in which both a low coating price per workpiece and a high production speed must be achieved.
  • Object of the present invention is to improve a device of the aforementioned type such that a low-noise operation is supported with reduced maintenance.
  • the gas lance is at least partially formed of a dielectric.
  • the metallic tubular gas lances used according to the prior art promote the undesirable propagation of the microwaves into the interior of the bottle holders and into the area of the valve block.
  • the use of the dielectric gas lance counteracts a corresponding propagation of the microwaves.
  • a dielectric gas lance supports an adaptation of the coating process to different bottle geometries and different product requirements.
  • the gas lance protrudes into the container to be coated to different extents.
  • the size of a metallic gas lance influences the propagation of the microwaves, so that an adaptation of the generation of the microwaves is required in the prior art as a function of the respective positioning of the gas lance.
  • dielectric gas lances it is found that, regardless of the specific positioning of the gas lance, no appreciable influences on the microwave propagation occur, so that the process is much easier to control.
  • a high mechanical stability at the same time provided shielding against acting microwaves is achieved in that the gas lance is at least partially formed on the outside of the dielectric.
  • gas lance is tube-like and at least partially formed over the entire thickness of the pipe wall of the dielectric.
  • a change of resonance properties as a function of a positioning of the gas lance can be avoided by forming the gas lance from the dielectric at least in a region projecting into the plasma chamber.
  • the gas lance is formed at least in a region of the dielectric, which is enclosed by a region of the workpiece holding a holding element facing the plasma chamber.
  • Unwanted coatings in the region of a chambered rocket can be prevented by forming the gas lance at least in a region of the dielectric which is enclosed by a region of a chamber base facing the plasma chamber.
  • the gas lance be formed at least in a region of the dielectric which is enclosed by a region of a valve block facing the plasma chamber.
  • a particularly easy to manufacture construction of the gas lance is provided by the fact that the gas lance is formed entirely from the dielectric.
  • gas lance is formed from at least two different dielectrics, which are arranged one above the other in a radial direction.
  • the gas lance is formed of at least two different dielectrics, which are arranged one above the other in a longitudinal direction.
  • the dielectric being at least partially carbon.
  • a high mechanical stability is also achieved in that the dielectric consists at least partially of carbon fibers.
  • a wear of the gas lance by acting process gases can be significantly reduced by the fact that the dielectric is at least partially made of ceramic.
  • the dielectric is at least partially made of plastic.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a plurality of plasma chambers, which are arranged on a rotating plasma wheel and in which the plasma wheel is coupled to input and output wheels.
  • FIG. 2 shows an arrangement similar to FIG. 1, in which the plasma stations are each equipped with two plasma chambers,
  • FIG. 3 is a perspective view of a plasma bath with a plurality of plasma chambers
  • FIG. 4 is a perspective view of a plasma station with a cavity
  • FIG. 5 is a front view of the apparatus of FIG. 4 with the plasma chamber closed
  • Fig. 6 shows a cross section along section line Vl-Vl in Fig. 5 and
  • Fig. 7 is an enlarged sectional view of a connecting element for holding the workpiece in the plasma chamber and a gas lance insertable into the workpiece.
  • FIG. 1 shows a plasma module (1), which is provided with a rotating plasma wheel (2). Along a circumference of the plasma wheel (2) a plurality of plasma stations (3) are arranged. The plasma stations (3) are provided with cavities (4) or plasma chambers (17) for receiving workpieces (5) to be treated.
  • the workpieces (5) to be treated are supplied to the plasma module (1) in the region of an input (6) and forwarded via a separating wheel (7) to a top feed wheel (8) equipped with positionable support arms (9).
  • the support arms (9) are arranged pivotable relative to a base (10) of the transfer wheel (8), so that a change in the distance of the workpieces (5) relative to each other can be performed.
  • the input wheel (11) transfers the workpieces (5) to be treated to the plasma wheel (2).
  • the treated workpieces (5) are removed from the area of the plasma wheel (2) by an output wheel (12) and transferred to the area of an output line (13).
  • the plasma stations (3) are each equipped with two cavities (4) or plasma chambers (17).
  • two workpieces (5) can be treated simultaneously.
  • the cavities (4) it is possible here, the cavities (4) However, in principle, it is also possible to delimit only partial areas in a common cavity space from one another in such a way that an optimum coating of all workpieces (5) is ensured. In particular, this is thought to delimit the partial cavities at least by separate Mikrowelleneinkopplept against each other.
  • Fig. 3 shows a perspective view of a plasma module (1) with partially constructed plasma wheel
  • the plasma stations (3) are arranged on a support ring (14), which is formed as part of a rotary joint and mounted in the region of a machine base (15).
  • the plasma stations (3) each have a station frame (16) which holds plasma chambers (17).
  • the plasma chambers (17) have cylindrical chamber walls (18) and microwave generators (19).
  • a rotary distributor (20) is arranged, via which the plasma stations
  • the workpieces (5) to be treated are shown below the cylindrical chamber walls (18). Parts of the plasma chambers (17) are not shown for simplicity.
  • Fig. 4 shows a plasma station (3) in perspective
  • Fig. 4 shows the carriage (24) with chamber wall (18) in a raised state, so that the workpiece (5) is released.
  • the microwave generator (19) is connected via a deflection (25) and an adapter (26) to a coupling channel (27), which opens into the plasma chamber (17).
  • the microwave generator (19) both directly in the region of the chamber lid (31) and via a spacer element to the chamber lid (31) coupled with a predetermined distance to the chamber lid (31) and thus in a larger surrounding area of the chamber lid (31) are arranged ,
  • the adapter (26) has the function of a transition element and the coupling channel (27) is formed as a coaxial conductor. in the region of an opening of the coupling channel (27) in the chamber lid (31) a quartz glass window is arranged.
  • the deflection (25) is designed as a waveguide.
  • the workpiece (5) is positioned by a holding element (28), which is arranged in the region of a chamber bottom (29).
  • the chamber bottom (29) is formed as part of a chamber base (30).
  • Another variant is to attach the chamber base (30) directly to the station frame (16). In such an arrangement, it is also possible, for example, to make the guide rods (23) in two parts in the vertical direction.
  • FIG. 5 shows a front view of the plasma station (3) according to FIG. 3 in a closed state of the plasma chamber (17).
  • the carriage (24) with the cylindrical chamber wall (18) is in this case lowered relative to the positioning in Fig. 4, so that the chamber wall (18) has moved against the chamber bottom (29). In this positioning state, the plasma coating can be performed.
  • the coupling channel (27) opens into a chamber lid (31) having a laterally projecting flange (32).
  • a seal (33) is arranged, which is acted upon by an inner flange (34) of the chamber wall (18).
  • a further seal (35) is arranged in a lower region of the chamber wall (18), in order here also a seal relative to Chamber bottom (29) to ensure.
  • the chamber wall (18) surrounds the cavity (4), so that both an interior of the cavity (4) and an interior of the workpiece (5) can be evacuated.
  • a hollow gas lance (36) which can be moved into the interior of the workpiece (5), is arranged in the region of the crab base (30).
  • a lance carriage (37) which can be positioned along the guide rods (23).
  • a process gas channel (38) Within the lance carriage (37) extends a process gas channel (38), the in the raised position shown in Fig. 6 with a gas port (39) of the chamber base (30) is coupled.
  • a thrust plate (45) mounted on the gas lance (36) is guided against the outer flange (44) and pushes the retainer (28) into its upper end position.
  • an interior of the workpiece (5) is insulated from the interior of the cavity (4).
  • the compression spring (43) moves the holding element (28) relative to the guide sleeve (41) such that a connection between the interior of the workpiece (5) and the interior of the cavity (4) is created.
  • the workpiece (5) into a plasma chamber (17) immovable relative to the associated support structure. It is also possible, as an alternative to the illustrated coating of the workpieces (5) with their mouths in the vertical direction down to perform a coating of the workpieces with their mouths in the vertical direction upwards. In particular, it is intended to perform a coating of bottle-shaped workpieces (5).
  • Such bottles are also preferably formed from a thermoplastic material. Preferably, the use of PET or PP is intended. According to a further preferred embodiment, the coated bottles serve to receive drinks.
  • a typical treatment process is explained below using the example of a coating operation and carried out such that first the workpiece (5) using the input wheel (11) is transported to the plasma wheel (2) and that in a pushed-up state of the sleeve-like chamber wall (18) inserting of the workpiece (5) into the plasma station (3). After completion of the ⁇ insetzvorganges the chamber wall (18) is lowered into its sealed positioning and initially carried out simultaneously an evacuation of both the cavity (4) and an interior of the workpiece (5).
  • the lance (36) is retracted into the interior of the workpiece (5) and by a displacement of the holding element (28) a foreclosure of the interior of the workpiece (5) relative to the interior of the cavity ( 4). It is also possible to move the gas lance (36) into the workpiece (5) in synchronism with the beginning of the evacuation of the interior of the cavity. The pressure in the interior of the workpiece (5) is then further lowered. In addition, it is also intended to carry out the positioning movement of the gas lance (36) at least partially already parallel to the positioning of the chamber wall (18). After reaching a sufficiently low negative pressure process gas is introduced into the interior of the workpiece (5) and ignited with the aid of the microwave generator (19) the plasma.
  • the intention is to deposit both an adhesion promoter on an inner surface of the workpiece (5) and the actual barrier layer of silicon oxides with the aid of the plasma.
  • the gas lance (36) is again removed from the interior of the workpiece (5) and the plasma chamber (17) and the interior of the workpiece (5) are vented.
  • the chamber wall (18) is raised again to perform a removal of the coated workpiece (5) and an input of a new workpiece to be coated (5).
  • a positioning of the chamber wall (18), the sealing element (28) and / or the gas lance (36) can be carried out using different drive units.
  • the cam control may for example be designed such that along a circumference of the plasma wheel (2) control cams are arranged along which cam rollers are guided.
  • the cam rollers are coupled to the respective components to be positioned.
  • the material for the gas lance (36) at least the part of the gas lance (36) projecting into the plasma chamber (17) is formed at least in regions from a dielectric.

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Abstract

Die Vorrichtung dient zur Plasmabehandlung von Werkstücken. Das Werkstück wird in eine zumindest teilweise evakuierbare Kammer (17) einer Behandlungsstation eingesetzt. Die Plasmakammer ist von einem Kammerboden (29), einem Kammerdeckel (31) sowie einer seitlichen Kammerwandung (18) begrenzt und weist eine positionierbare Gaslanze (36) auf. Die Gaslanze ist mindestens bereichsweise aus einem Dielektrikum ausgebildet.

Description

Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Werkstücken
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmabe- handlung von Werkstücken, die mindestens eine evakuierbare Plasmakammer zur Aufnahme der Werkstücke aufweist und bei der die Plasmakammer im Bereich einer Behandlungsstation angeordnet ist, sowie bei der die Plasmakammer von einem Kammerboden, einem Kammerdeckel sowie einer seitlichen Kammerwandung begrenzt ist und eine positionierbare Gaslanze aufweist.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise eingesetzt, um Kunststoffe mit Oberflächenbeschichtungen zu versehen. Insbesondere sind auch bereits derartige Vorrichtungen bekannt, um innere oder äußere Oberflächen von Behältern zu beschichten, die zur Verpackung von Flüssigkeiten vorgesehen sind. Darüber hinaus sind Einrichtungen zur Plasmasterilisation bekannt.
In der PCT-WO 95/22413 wird eine Plasmakammer zur In- nenbeschichtung von Flaschen aus PET beschrieben. Die zu beschichtenden Flaschen werden durch einen beweglichen Boden in eine Plasmakaramer hineingehoben und im Bereich einer Flaschenmündung mit einem Adapter in Verbindung gebracht. Durch den Adapter hindurch kann eine Evakuierung des Flascheninnenraumes erfolgen. Darüber hinaus wird durch den Adapter hindurch eine hohle Gas- lanze in den Innenraum der Flaschen eingeführt, um Prozeßgas zuzuführen. Eine Zündung des Plasmas erfolgt unter Verwendung einer Mikrowelle.
Aus dieser Veröffentlichung ist es auch bereits bekannt, eine Mehrzahl von Plasmakammern auf einem rotierenden Rad anzuordnen. Hierdurch wird eine hohe Produktionsrate von Flaschen je Zeiteinheit unterstützt.
In der EP-OS 10 10 773 wird eine Zuführeinrichtung erläutert, um einen Flascheninnenraum zu evakuieren und mit Prozeßgas zu versorgen. In der PCT-WO 01/31680 wird eine Plasmakammer beschrieben, in die die Flaschen von einem beweglichen Deckel eingeführt werden, der zuvor mit einem Mündungsbereich der Flaschen verbunden wurde.
Die PCT-WO 00/58631 zeigt ebenfalls bereits die Anordnung von Plasmastationen auf einem rotierenden Rad und beschreibt für eine derartige Anordnung eine gruppenweise Zuordnung von Unterdruckpumpen und Plasmastationen, um eine günstige Evakuierung der Kammern sowie der Innenräume der Flaschen zu unterstützen. Darüber hinaus wird die Beschichtung von mehreren Behältern in einer gemeinsamen Plasmastation bzw. einer gemeinsamen Kavi- tät erwähnt.
Eine weitere Anordnung zur Durchführung einer Innenbe- schichtung von Flaschen wird in der PCT-WO 99/17334 beschrieben. Es wird hier insbesondere eine Anordnung ei- nes Mikrowellengenerators oberhalb der Plasmakaininer sowie eine Vakuum- und Betriebsmittelzuleitung durch einen Boden der Plasmakammer hindurch beschrieben.
In der DE 10 2004 020 185 Al wird bereits eine Gaslanze beschrieben, die in den Innenraum eines zu beschichtenden Vorformlings einfahrbar ist und zur Zuleitung von Prozeßgasen dient. Die Gaslanze ist in der Längsrichtung des Behälters positionierbar.
Bei der überwiegenden Anzahl der bekannten Vorrichtungen werden zur Verbesserung von Barriereeigenschaften des thermoplastischen Kunststoffmaterials durch das Plasma erzeugte Behälterschichten aus Siliziumoxiden mit der allgemeinen chemischen Formel SiOx verwendet. Derartige Barriereschichten verhindern ein Eindringen von Sauerstoff in die verpackten Flüssigkeiten sowie ein Austreten von Kohlendioxid bei CO2-haltigen Flüssigkeiten.
Die bislang bekannten Vorrichtungen sind noch nicht in ausreichender Weise dafür geeignet, für eine Massenproduktion eingesetzt zu werden, bei der sowohl ein geringer Beschichtungspreis je Werkstück als auch eine hohe Produktionsgeschwindigkeit erreicht werden muß.
Insbesondere tritt das Problem auf, daß die Mikrowellen sowohl in einen Innenraum der Gaslanze eintreten als sich auch in einen Ringspalt ausbreiten, der die Gaslanze im Bereich eines Ventilblockes umgibt, der benachbart zur Beschichtungskammer angeordnet ist. Da sich sowohl im Innenraum der Gaslanze als auch im Bereich des Ventilblockes Prozeßgase befinden, führen die eindringenden Mikrowellen zu einer Zündung des Plasmas auch in diesem Bereich und hierdurch zu Beschichtungs- effekten. Diese unerwünschten Beschichtungen verengen zum einen die zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitte, darüber hinaus wird die Beweglichkeit der betreffenden Bauelemente beeinträchtigt. Hinsichtlich der Ventile im Bereich des Ventilblockes kann nach einer gewissen Betriebszeit insbesondere nicht mehr ein dichtes Schließen der Ventile erreicht werden, so daß häufige Wartungszyklen und Reinigungsarbeiten erforderlich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß ein störungsarmer Betrieb bei vermindertem Wartungsaufwand unterstützt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gaslanze mindestens bereichsweise aus einem Dielektrikum ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, daß die gemäß dem Stand der Technik verwendeten metallischen rohrartigen Gaslanzen die unerwünschte Ausbreitung der Mikrowellen in den Innenraum der Flaschenhalterungen hinein und in den Bereich des Ventilblockes hinein begünstigen. Durch die Verwendung der dielektrischen Gaslanze wird einer entsprechenden Ausbreitung der Mikrowellen entgegengewirkt .
Darüber hinaus hat sich herausgestellt, daß die Verwendung einer dielektrischen Gaslanze eine Adaption des Beschichtungsprozesses an unterschiedliche Flaschengeometrien und unterschiedliche Produktanforderungen unterstützt. In Abhängigkeit von den konkreten Beschich- tungsanforderungen ragt die Gaslanze unterschiedlich weit in den zu beschichtenden Behälter hinein. Eine me- tallische Gaslanze beeinflußt hierbei die Ausbreitung der Mikrowellen, so daß beim Stand der Technik in Abhängigkeit von der jeweiligen Positionierung der Gaslanze eine Anpassung der Generierung der Mikrowellen erforderlich ist. Bei der Verwendung von dielektrischen Gaslanzen zeigt es sich, daß unabhängig von der konkreten Positionierung der Gaslanze keine nennenswerten Beeinflussungen der Mikrowellenausbreitung auftreten, so daß der Prozeß wesentlich einfacher steuerbar ist.
Eine hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig bereitgestellter Abschirmung gegenüber von einwirkenden Mikrowellen wird dadurch erreicht, daß die Gaslanze mindestens bereichsweise außenseitig aus dem Dielektrikum ausgebildet ist.
Eine preiswerte Konstruktion wird dadurch unterstützt, daß die Gaslanze rohrartig ausgebildet und mindestens bereichsweise über die gesamte Dicke der Rohrwandung aus dem Dielektrikum ausgebildet ist.
Eine Veränderung von Resonanzeigenschaften in Abhängigkeit von einer Positionierung der Gaslanze kann dadurch vermieden werden, daß die Gaslanze mindestens in einem in die Plasmakammer hineinragenden Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist.
Ein Austritt von Mikrowellen aus dem Bereich der Plas- makammer wird dadurch vermieden, daß die Gaslanze mindestens in einem Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist, der von einem der Plasmakammer zugewandten Bereich eines das Werkstück positionierenden Halteelementes umschlossen ist. Ungewollte Beschichtungen im Bereich eines Kammersok- kels können dadurch verhindert werden, daß die Gaslanze mindestens in einem Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist, der von einem der Plasmakammer zugewandten Bereich eines Kammersockels umschlossen ist.
Zur Vermeidung von ungewollten Beschichtungen von Ventilen oder Vakuumkanälen wird vorgeschlagen, daß die Gaslanze mindestens in einem Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist, der von einem der Plasmakammer zugewandten Bereich eines Ventilblockes umschlossen ist.
Eine besonders einfach herstellbare Konstruktion der Gaslanze wird dadurch bereitgestellt, daß die Gaslanze vollständig aus dem Dielektrikum ausgebildet ist.
Eine Kombination unterschiedlicher Materialeigenschaften wird dadurch erreicht, daß die Gaslanze aus mindestens zwei unterschiedlichen Dielektrika ausgebildet ist, die in einer radialen Richtung übereinander angeordnet sind.
Darüber hinaus ist auch daran gedacht, daß die Gaslanze aus mindestens zwei unterschiedlichen Dielektrika ausgebildet ist, die in einer Längsrichtung übereinander angeordnet sind.
Vorteilhafte dielektrische Eigenschaften werden dadurch bereitgestellt, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Kohlenstoff besteht.
Eine hohe mechanische Stabilität wird auch dadurch erreicht, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Kohlefasern besteht. Ein Verschleiß der Gaslanze durch einwirkende Prozeßgase kann dadurch wesentlich vermindert werden, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Keramik besteht.
Zu einer preiswerten Herstellung der Gaslanze trägt es bei, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Kunststoff besteht.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 Eine Prinzipskizze einer Mehrzahl von Plasmakammern, die auf einem rotierenden Plasmarad angeordnet sind und bei der das Plasmarad mit Eingabe- und Ausgaberädern gekoppelt ist.
Fig. 2 eine Anordnung ähnlich zu Fig. 1, bei der die Plasmastation jeweils mit zwei Plasmakammern ausgestattet sind,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Plasmarades mit einer Vielzahl von Plasmakammern,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Plasmastation mit einer Kavität,
Fig. 5 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 4 mit geschlossener Plasmakammer,
Fig. 6 einen Querschnitt gemäß Schnittlinie Vl-Vl in Fig. 5 und
Fig. 7 eine vergrößerte geschnittene Darstellung eines Anschlußelementes zur Halterung des Werkstückes in der Plasmakammer sowie einer in das Werkstück einführbaren Gaslanze.
Aus der Darstellung in Fig. 1 ist ein Plasmamodul (1) zu erkennen, das mit einem rotierenden Plasmarad (2) versehen ist. Entlang eines Umfanges des Plasmarades (2) sind eine Mehrzahl von Plasmastationen (3) angeordnet. Die Plasmastationen (3) sind mit Kavitäten (4) bzw. Plasmakammern (17) zur Aufnahme von zu behandelnden Werkstücken (5) versehen.
Die zu behandelnden Werkstücke (5) werden dem Plasmamodul (1) im Bereich einer Eingabe (6) zugeführt und über ein Vereinzelungsrad (7) an ein Obergaberad (8) weitergeleitet, das mit positionierbaren Tragarmen (9) ausgestattet ist. Die Tragarme (9) sind relativ zu einem Sockel (10) des Übergaberades (8) verschwenkbar angeordnet, so daß eine AbstandsVeränderung der Werkstücke (5) relativ zueinander durchgeführt werden kann. Hierdurch erfolgt eine Übergabe der Werkstücke (5) vom Übergaberad (8) an ein Eingaberad (11) mit einem relativ zum Vereinzelungsrad (7) vergrößerten Abstand der Werkstücke (5) relativ zueinander. Das Eingaberad (11) übergibt die zu behandelnden Werkstücke (5) an das Plasmarad (2) . Nach einer Durchführung der Behandlung werden die behandelten Werkstücke (5) von einem Ausgaberad (12) aus dem Bereich des Plasmarades (2) entfernt und in den Bereich einer Ausgabestrecke (13) überführt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Plasmastationen (3) jeweils mit zwei Kavitäten (4) bzw. Plasmakammern (17) ausgestattet. Hierdurch können jeweils zwei Werkstücke (5) gleichzeitig behandelt werden. Grundsätzlich ist es hierbei möglich, die Kavitäten (4) vollständig voneinander getrennt auszubilden, grundsätzlich ist es aber auch möglich, in einem gemeinsamen Kavitätenraum lediglich Teilbereiche derart gegeneinander abzugrenzen, daß eine optimale Beschichtung aller Werkstücke (5) gewährleistet ist. Insbesondere ist hierbei daran gedacht, die Teilkavitäten zumindest durch separate Mikrowelleneinkopplungen gegeneinander abzugrenzen.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Plasmamoduls (1) mit teilweise aufgebautem Plasmarad
(2) . Die Plasmastationen (3) sind auf einem Tragring (14) angeordnet, der als Teil einer Drehverbindung ausgebildet und im Bereich eines Maschinensockels (15) gelagert ist. Die Plasmastationen (3) weisen jeweils einen Stationsrahmen (16) auf, der Plasmakammern (17) haltert. Die Plasmakammern (17) weisen zylinderförmige Kammerwandungen (18) sowie Mikrowellengeneratoren (19) auf.
In einem Zentrum des Plasmarades (2) ist ein Drehverteiler (20) angeordnet, über den die Plasmastationen
(3) mit Betriebsmitteln sowie Energie versorgt werden. Zur Betriebsmittelverteilung können insbesondere Ringleitungen (21) eingesetzt werden.
Die zu behandelnden Werkstücke (5) sind unterhalb der zylinderförmigen Kammerwandungen (18) dargestellt. Unterteile der Plasmakammern (17) sind zur Vereinfachung jeweils nicht eingezeichnet.
Fig. 4 zeigt eine Plasmastation (3) in perspektivischer
Darstellung. Es ist zu erkennen, daß der Stationsrahmen
(16) mit Führungsstangen (23) versehen ist, auf denen ein Schlitten (24) zur Halterung der zylinderförmigen Kammerwandung (18) geführt ist. Fig. 4 zeigt den Schlitten (24) mit Kammerwandung (18) in einem angehobenen Zustand, so daß das Werkstück (5) freigegeben ist.
Im oberen Bereich der Plasmastation (3) ist der Mikrowellengenerator (19) angeordnet. Der Mikrowellengenerator (19) ist über eine Umlenkung (25) und einen Adapter (26) an einen Kopplungskanal (27) angeschlossen, der in die Plasmakammer (17) einmündet. Grundsätzlich kann der Mikrowellengenerator (19) sowohl unmittelbar im Bereich des Kammerdeckels (31) als auch über ein Distanzelement an den Kammerdeckel (31) angekoppelt mit einer vorgebbaren Entfernung zum Kammerdeckel (31) und somit in einem größeren Umgebungsbereich des Kammerdeckels (31) angeordnet werden. Der Adapter (26) hat die Funktion eines Übergangselementes und der Kopplungskanal (27) ist als ein Koaxialleiter ausgebildet. im Bereich einer Einmündung des Kopplungskanals (27) in den Kammerdeckel (31) ist ein Quarzglasfenster angeordnet. Die Umlenkung (25) ist als ein Hohlleiter ausgebildet. Das Werkstück (5) wird von einem Halteelement (28) positioniert, das im Bereich eines Kammerbodens (29) angeordnet ist. Der Kammerboden (29) ist als Teil eines Kammersockels (30) ausgebildet. Zur Erleichterung einer Justage ist es möglich, den Kammersockel (30) im Bereich der FührungsStangen (23) zu fixieren. Eine andere Variante besteht darin, den Kammersockel (30) direkt am Stationsrahmen (16) zu befestigen. Bei einer derartigen Anordnung ist es beispielsweise auch möglich, die Führungsstangen (23) in vertikaler Richtung zweiteilig auszuführen. Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht der Plasmastation (3) gemäß Fig. 3 in einem geschlossenen Zustand der Plasmakammer (17) . Der Schlitten (24) mit der zylinderförmigen Kammerwandung (18) ist hierbei gegenüber der Positionierung in Fig. 4 abgesenkt, so daß die Kammerwandung (18) gegen den Kammerboden (29) gefahren ist. In diesem Positionierzustand kann die Plasmabeschichtung durchgeführt werden.
Fig. 6 zeigt in einer Vertikalschnittdarstellung die Anordnung gemäß Fig. 5. Es ist insbesondere zu erkennen, daß der Kopplungskanal (27) in einen Kammerdeckel (31) einmündet, der einen seitlich überstehenden Flansch (32) aufweist. Im Bereich des Flansches (32) ist eine Dichtung (33) angeordnet, die von einem Innenflansch (34) der Kammerwandung (18) beaufschlagt wird. In einem abgesenkten Zustand der Kammerwandung (18) erfolgt hierdurch eine Abdichtung der Kammerwandung (18) relativ zum Kammerdeckel (31) , Eine weitere Dichtung (35) ist in einem unteren Bereich der Kammerwandung (18) angeordnet, um auch hier eine Abdichtung relativ zum Kammerboden (29) zu gewährleisten.
In der in Fig. 6 dargestellten Positionierung umschließt die Kammerwandung (18) die Kavität (4) , so daß sowohl ein Innenraum der Kavität (4) als auch ein Innenraum des Werkstückes (5) evakuiert werden können. Zur Unterstützung einer Zuleitung von Prozeßgas ist im Bereich des Kaπrmersockels (30) eine hohle Gaslanze (36) angeordnet, die in den Innenraum des Werkstückes (5) hineinverfahrbar ist. Zur Durchführung einer Positionierung der Gaslanze (36) wird diese von einem Lanzenschlitten (37) gehaltert, der entlang der Führungsstangen (23) positionierbar ist. Innerhalb des Lanzenschlittens (37) verläuft ein Prozeßgaskanal (38) , der in der in Fig. 6 dargestellten angehobenen Positionierung mit einem Gasanschluß (39) des Kammersockels (30) gekoppelt ist. Durch diese Anordnung werden schlauchartige Verbindungselemente am Lanzenschlitten (37) vermieden.
In der in Fig. 7 dargestellten Positionierung ist ein an der Gaslanze (36) montierter Schubteller (45) gegen den Außenflansch (44) geführt und drückt das Halteelement (28) in seine obere Endpositionierung. In dieser Positionierung ist ein Innenraum des Werkstückes (5) gegenüber dem Innenraum der Kavität (4) isoliert. In einem abgesenkten Zustand der Lanze (36) verschiebt die Druckfeder (43) das Halteelement (28) relativ zur Führungshülse (41) derart, daß eine Verbindung zwischen dem Innenraum des Werkstückes (5) und dem Innenraum der Kavität (4) geschaffen ist.
Alternativ zur vorstehend erläuterten Konstruktion der Plasmastation ist es aber erfindungsgemäß aber auch möglich, das Werkstück (5) in eine relativ zur zugeordneten Tragstruktur unbewegliche Plasmakammer (17) einzuführen. Ebenfalls ist es möglich, alternativ zur dargestellten Beschichtung der Werkstücke (5) mit ihren Mündungen in lotrechter Richtung nach unten eine Beschichtung der Werkstücke mit ihren Mündungen in lotrechter Richtung nach oben durchzuführen. Insbesondere ist daran gedacht, eine Beschichtung von flaschenförmigen Werkstücken (5) durchzuführen. Derartige Flaschen sind ebenfalls bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet. Vorzugsweise ist an die Verwendung von PET oder PP gedacht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dienen die beschichteten Flaschen zur Aufnahme von Getränken. Ein typischer Behandlungsvorgang wird im folgenden am Beispiel eines Beschichtungsvorganges erläutert und derart durchgeführt, daß zunächst das Werkstück (5) unter Verwendung des Eingaberades (11) zum Plasmarad (2) transportiert wird und daß in einem hochgeschobenen Zustand der hülsenartigen Kammerwandung (18) das Einsetzen des Werkstückes (5) in die Plasmastation (3) erfolgt. Nach einem Abschluß des Ξinsetzvorganges wird die Kammerwandung (18) in ihre abgedichtete Positionierung abgesenkt und zunächst gleichzeitig eine Evakuierung sowohl der Kavität (4) als auch eines Innenraumes des Werkstückes (5) durchgeführt.
Nach einer ausreichenden Evakuierung des Innenraumes der Kavität (4) wird die Lanze (36) in den Innenraum des Werkstückes (5) eingefahren und durch eine Verschiebung des Halteelementes (28) eine Abschottung des Innenraumes des Werkstückes (5) gegenüber dem Innenraum der Kavität (4) durchgeführt. Ebenfalls ist es möglich, die Gaslanze (36) bereits synchron zur beginnenden Evakuierung des Innenraumes der Kavität in das Werkstück (5) hinein zu verfahren. Der Druck im Innenraum des Werkstückes (5) wird anschließend noch weiter abgesenkt. Darüber hinaus ist auch daran gedacht, die Positionierbewegung der Gaslanze (36) wenigstens teilweise bereits parallel zur Positionierung der Kammerwandung (18) durchzuführen. Nach Erreichen eines ausreichend tiefen Unterdruckes wird Prozeßgas in den Innenraum des Werkstückes (5) eingeleitet und mit Hilfe des Mikrowellengenerators (19) das Plasma gezündet. Insbesondere ist daran gedacht, mit Hilfe des Plasmas sowohl einen Haftvermittler auf eine innere Oberfläche des Werkstük- kes (5) als auch die eigentliche Barriereschicht aus Siliziumoxiden abzuscheiden. Nach einem Abschluß des Beschichtungsvorganges wird die Gaslanze (36) wieder aus dem Innenraum des Werkstückes (5) entfernt und die Plasmakammer (17) sowie der Innenraum des Werkstückes (5) werden belüftet. Nach Erreichen des Umgebungsdruckes innerhalb der Kavität (4) wird die Kammerwandung (18) wieder angehoben, um eine Entnahme des beschichteten Werkstückes (5) sowie eine Eingabe eines neuen zu beschichtenden Werkstückes (5) durchzuführen.
Eine Positionierung der Kammerwandung (18) , des Dichtelementes (28) und / oder der Gaslanze (36) kann unter Verwendung unterschiedlicher Antriebsaggregate erfolgen. Grundsätzlich ist die Verwendung pneumatischer Antriebe und / oder elektrischer Antriebe, insbesondere in einer Ausführungsform als Linearmotor, denkbar. Insbesondere ist aber daran gedacht, zur Unterstützung einer exakten Bewegungskoordinierung mit einer Rotation des Plasmarades (2) eine Kurvensteuerung zu realisieren. Die Kurvensteuerung kann beispielsweise derart ausgeführt sein, daß entlang eines Umfanges des Plasmarades (2) Steuerkurven angeordnet sind, entlang derer Kurvenrollen geführt werden. Die Kurvenrollen sind mit den jeweils zu positionierenden Bauelementen gekoppelt. Hinsichtlich des Materials für die Gaslanze (36) wird mindestens der in die Plasmakammer (17) hineinragende Teil der Gaslanze (36) zumindest bereichsweise aus einem Dielektrikum ausgebildet. Insbesondere ist daran gedacht, sowohl den innerhalb der Plasmakammer (17) angeordneten Bereich als auch den innerhalb eines der Plasmakammer (17) zugewandten Teiles des Halteelementes (28) angeordneten Bereich der Gaslanze (36) aus dem Dielektrikum auszubilden. In fertigungstechnischer Hinsicht erweist es sich als besonders vorteilhaft, die gesamte Gaslanze (36) aus dem dielektrischen Material zu konstruieren. Es können hierdurch preiswerte rohrartige Elemente verwendet werden, die bedarfsabhängig in die benötigten Gaslanzen (36) zerteilt werden. Beispielsweise ist es möglich, derartige Rohre aus Kunststoff auszubilden und zu ex- trudieren.
Die Verwendung von Ausgangsmaterialien, die anwendungs- abhängig zugeschnitten werden, ermöglicht es, auf zeitaufwendige Reinigungsvorgänge der Gaslanze (36) zu verzichten und statt dessen eine verschmutzte Gaslanze (36) durch eine neue Gaslanze (36) zu ersetzen. Erforderliche Servicezeiten können hierdurch wesentlich vermindert werden, so daß bei einem geringen Materialpreis der vorgefertigten Gaslanzen (36) wirtschaftliche Vorteile erreicht werden können.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Werkstücken, die mindestens eine evakuierbare Plasmakammer zur Aufnahme der Werkstücke aufweist und bei der die Plasmakammer im Bereich einer Behandlungsstation angeordnet ist, sowie bei der die Plasmakammer von einem Kammerboden, einem Kammerdeckel sowie einer seitlichen Kammerwandung begrenzt ist und eine positionierbare Gaslanze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) mindestens bereichsweise aus einem Dielektrikum ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) mindestens bereichsweise außenseitig aus dem Dielektrikum ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) rohrartig ausgebildet und mindestens bereichsweise über die gesamte Dicke der Rohrwandung aus dem Dielektrikum ausgebildet ist .
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) mindestens in einem in die Plasmakammer (17) hineinragenden Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) mindestens in einem Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist, der von einem der Plasmakammer zugewandten Bereich eines das Werkstück positionierenden Halteelementes (28) umschlossen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) mindestens in einem Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist, der von einem der Plasmakammer zugewandten Bereich eines Kammersockels (30) umschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) mindestens in einem Bereich aus dem Dielektrikum ausgebildet ist, der von einem der Plasmakammer zugewandten Bereich eines Ventilblockes umschlossen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) vollständig aus dem Dielektrikum ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) aus mindestens zwei unterschiedlichen Dielektrika ausgebildet ist, die in einer radialen Richtung übereinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaslanze (36) aus mindestens zwei unterschiedlichen Dielektrika ausgebildet ist, die in einer Längsrichtung übereinander angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Kohlenstoff besteht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Kohlefasern besteht.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Keramik besteht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum mindestens teilweise aus Kunststoff besteht.
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