EP0221968A1 - Verfahren zur entfernung von metallionen aus körpern aus glas oder keramischen werkstoffen - Google Patents

Verfahren zur entfernung von metallionen aus körpern aus glas oder keramischen werkstoffen

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EP0221968A1
EP0221968A1 EP86903215A EP86903215A EP0221968A1 EP 0221968 A1 EP0221968 A1 EP 0221968A1 EP 86903215 A EP86903215 A EP 86903215A EP 86903215 A EP86903215 A EP 86903215A EP 0221968 A1 EP0221968 A1 EP 0221968A1
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EP
European Patent Office
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plasma
glass
voltage
ions
reactor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP86903215A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hugh S. Munro
Heinrich GRÜNWALD
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP0221968A1 publication Critical patent/EP0221968A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/006—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by plasma or corona discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/24—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/24—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases
    • H01J9/245—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases specially adapted for gas discharge tubes or lamps
    • H01J9/247—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases specially adapted for gas discharge tubes or lamps specially adapted for gas-discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to a method for removing metal ions, especially Alkali ions from the surface layer of glass and ceramic bodies.
  • Alkali ions especially Sodium and lithium, but also potassium ions cause a certain electrical conductivity or the like.
  • Types of glass R.H. Doremus: "Glass Science”, Wiley, New York 1973, p. 146). Because of the high surface conductivity they can e.g. not be used as substrate glasses in microelectronics or for the construction of electrical circuit boards (D.J. Newman and M.J. Aggleton, Physics in Technology, Jan. 1977, pages 10-17).
  • E-glass is used for this, which is almost alkali-free and consists, for example, of 50-55% Si0 2 , 8-12% B 2 0 3 , 13-15% A1 2 0 3 , 1-2% Na 2 0 + K 2 0, 15-17% CaO and 3-5% MgO (HH Dunken: "Physical Chemistry of the Glass Surface", VEB German Publisher for Basic Industry, L employzig 1981, p. 378). Alkali contents of 0.1% and less are now required. E-glass is relatively expensive due to its B p O content. When it melts, volatile fluorine compounds can escape. Measures to protect the environment from these substances are an additional cost factor. It is desirable to overcome these disadvantages by using inexpensive, conventional glasses, the surface layer of which has been freed from alkali ions. On the other hand, e-glasses with too high an alkali content could be optimized by removing residual alkali.
  • Refractive index and reflectivity compared to pure Si0 are desirable low-cost flat glasses with reduced reflectivity and thus increased light transmission.
  • the reflectivity of glasses can be reduced by applying layers whose refractive index lies between that of the glass (approx. 1.5) and that of the air (approx. 1.0).
  • a thin layer of a suitable material is applied to the glass to be tempered.
  • the anti-reflective layer can also through
  • the remaining silicate framework has a lower refractive index. - ⁇ -
  • the alkali-depleted glass of the top layer has a lower coefficient of expansion and exerts a compressive stress, which increases the work required for crack formation.
  • the alkali ions are mostly removed by the action of acidic gases such as HC1 or S0 2 , S0 3 , S0C1 2 etc. together with water vapor on the glass surface which is several hundred degrees Celsius (HH Dunken, aa-.OrV S. 287; A. Sendt, Glastechn. Ber. 37 (2), 1964, 102-115; H. Scholze: "Glass. Nature, Structure and Properties", Springer, Berlin 1977, p. 222).
  • the resistance of alkali-containing glasses can be increased if the alkali ions are removed from the surface layer. This is particularly interesting for preventing the corrosion of glass optical fibers and for preventing the undesired migration of alkali ions Glass vessels in the medical pharmaceutical field of application. Conventionally, the removal of the alkali ions from the surface can be done, for example, by treating the glass bodies heated to a few hundred degrees Celsius with SO 2 (RH Doremus, loc. Cit. P. 236; A. Sendt, loc. Cit. P. 110).
  • the invention has for its object to provide a method with which by removing metal ions, especially alkali ions, both the electrical surface conductivity and the reflectivity of molded glass bodies can be reduced and their chemical resistance and mechanical strength can be improved.
  • the shape of the glass body to be tempered should not be subject to any restrictions.
  • the process should make it possible to treat the vitreous at room temperature so as not to change their volume properties and shape.
  • the method should also be applicable in an analogous manner to enamelled bodies and bodies made of ceramic and other amorphous and crystalline materials.
  • the object is, as explained in more detail in the claims, achieved in that metal surfaces, in particular alkali ions, are removed from the surface to be coated by treatment with a low-pressure plasma or a corona discharge.
  • impurities for example sodium
  • SiO p silicon oxide
  • low-pressure plasmas can be used for the selective removal of metal ions, in particular alkali ions, from the surface layer of glass or under certain conditions, in particular when using non-oxidizing discharge gases, such as hydrogen, nitrogen or noble gases, which are not or little useful for surface cleaning use ceramic materials without the treated body having to be heated or an additional electrical potential applied.
  • non-oxidizing discharge gases such as hydrogen, nitrogen or noble gases
  • the effect is likely to be by bombarding the surface with gas ions and with high-energy, metastably excited gas particles, and possibly the "hard” UV radiation from the low-pressure plasma or the corona discharge.
  • the outer layer becomes particularly poor in alkali ions and accumulates in SiO p , so that it becomes more "quartz-like" and corresponding glasses or ceramic bodies have the above advantageous properties.
  • the treatment of bodies made of silicate glass in the low-pressure plasma is advantageously carried out in a reactor made of quartz glass or internally coated with SiO p , the low-pressure plasma being generated by an electrical high-frequency field of usually 13.56 MHz, which is applied via external electrodes or an external metal coil.
  • the inner surfaces of the reactor which are exposed to the low-pressure plasma are advantageously coated with a material for the treatment of bodies made of glass or ceramic according to the invention which does not release any troublesome impurities under the conditions according to the process.
  • the electrodes can also be arranged inside the reactor and the reactor can also consist of metal.
  • suitable measures should be taken to prevent the transfer of metal particles to the bodies treated according to the invention (see: J.L. Vossen, Pure Appl. Chem. 5_2, pp. 1759-1765).
  • the frequency of the field generating the plasma can be selected from a DC voltage to a high frequency.
  • special microwave plasma reactors for example according to US Pat. No. 4,049,940
  • the interiors of hollow bodies can be processed according to the invention.
  • the construction of the reactor should ensure with advantageous application of the method that the bodies to be coated are located in the bright glowing zone of the discharge and are exposed to the bombardment of ionized and metastably excited gas particles and to UV radiation. All the surfaces of (arbitrarily shaped) bodies that are in contact with the low-pressure plasma are remunerated. Covered areas or those on which the bodies rest are not remunerated.
  • the leakage rate of the gas supply system and the reactor should be less than 10 dm 3 Pa / sec when the method is advantageously used.
  • the method according to the invention can also be carried out at pressures from 13.3 Pa (0.1 Torr) to 2 * 10 Pa (2 atm), advantageously 1 * 10 Pa (1 atm) using corona discharge devices.
  • the frequency of the applied voltage can be selected from a DC voltage to a high frequency voltage, but is usually 10-40 kHz. Depending on the pressure and electrode spacing, the voltage is up to 20 kV.
  • a corona discharge can alternatively be used at, for example, normal pressure, a voltage of 10 kV, a frequency of 10 kHz and a power of 1-10 kW.
  • the decisive step in the method according to the invention that removes the metal ions consists of treating the body with a plasma, in an advantageous application of the invention in a low-pressure plasma (at, for example, 26.6 Pa) or with a plasma generated by corona discharge.
  • a plasma in an advantageous application of the invention in a low-pressure plasma (at, for example, 26.6 Pa) or with a plasma generated by corona discharge.
  • hydrogen, nitrogen or a are used as the discharge gas for this purpose
  • Noble gas advantageously pure argon or helium used.
  • the power transferred from the electric field to the low-pressure plasma can be between 0.01 and 1 watt per cm 3 plasma volume. In an advantageous application of the invention, it is in the range of 0.05 W / cm 3 .
  • the parameters of pressure and power in the low-pressure plasma cannot be set completely independently of one another, since with a given reactor design and a given pressure, only a certain power can be transferred to the low-pressure plasma. The higher the pressure and power selected, the more it heats the surface of the treated body through the low-pressure plasma treatment.
  • the duration of the plasma treatment is determined by the desired degree of depletion of metal ions. For alkali ions, this is typically in the range from a few minutes to an hour. This process step also kills microorganisms.
  • Finished products made of easily and inexpensively to process alkali-containing glasses or ceramic materials or enamelled objects can be remunerated after their final shaping.
  • the parts to be tempered do not have to be flat, they can have any shape.
  • the method according to the invention can easily be controlled via the parameters pressure, power, duration and possibly temperature.
  • the method can be used with suitable systems already available on the market, e.g. RIE ("Reactive Ion Etching") systems, corona discharge systems or microwave reactors.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • the method according to the invention can be particularly advantageous in vacuum production lines, such as those e.g. be used in microelectronics, be integrated.
  • FIG. 1 A corresponding arrangement is shown schematically in FIG. 1. It is particularly suitable for tempering small vitreous bodies.
  • a glass reactor (1) with a volume of 0.9 dm 3 after removing a cap (2), is charged with the glass bodies to be tempered, closed again with the cap and evacuated with a suitable rotary pump or a diffusion pump. 3) read.
  • the backflow of hydrocarbons from the pump is suppressed with a cold trap (4) or an absorption filter.
  • Flat substrates (5) can be heated up to 250 ° C if necessary to intensify the treatment.
  • an oil that is hot from an oil thermostat (6) is pumped through a substrate holder (7). If a cooling thermostat is used as an alternative, cooling is also possible.
  • To clean the surface of the vitreous to be tempered from organic contaminants they are first exposed to an air plasma.
  • Air is metered into the evacuated reactor with a fine regulating valve (8) until a constant pressure of 26.6 Pa (0.2 Torr) is reached and the low-pressure plasma is ignited by switching on a high-frequency generator (9).
  • the reflected electrical power is minimized and the power consumed by the low-pressure plasma is set to 40 W by means of an adaptation network (10).
  • the power consumed is calculated as the difference between the fed-in and reflected power with a wattmeter (11) certainly.
  • the generator is switched off, the metered-in air is switched off and the reactor is pumped empty to the lowest achievable pressure.
  • a 30-minute plasma treatment with argon (3-ring) at 26.6 Pa (0.2 Torr) and 40 W is now carried out in the manner described.
  • the reactor is aerated via an aeration valve (12) and the tempered glass body is removed from the reactor.
  • FIGS. 2 to 7 show ESCA ("Electron Spectroscopy for Chemical Analysis") spectra of two cover glasses for microscopy purposes, one of which remained untreated, the other was subjected to the method according to the invention described in the exemplary embodiment.
  • the overview spectra (FIGS. 2 and 3) show the signals of all elements present in the glass surface. the absence of signals of sodium and potassium in FIG. 3 can be clearly seen.
  • FIGS. 4 to 7 show the signals of potassium, sodium and aluminum in higher resolution.
  • FIG. 4 shows the 2p 3 and the 2p 1 signals of potassium (the signals at 285 and 288.5 eV come from carbon impurities) at the untreated glass surface at binding energies (BE) of 293.5 eV and 296.0 eV .
  • BE binding energies
  • FIG. 5 shows the 2s signal of sodium (63.4 eV) and the 2p signal of aluminum (74.3 eV) on the untreated glass surface.
  • FIG. 7 shows the corresponding area of the spectrum of the treated surface. The signals from sodium and aluminum have disappeared.
  • the ESCA spectra demonstrate that potassium, sodium and aluminum are removed from the surface layer of the glass by the process according to the invention.

Description

Verfahren zur Entfernung von Metallionen aus Körpern aus Glas oder keramischen Werkstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Metallionen, v.a. Alkali-Ionen aus der Oberflächenschicht von Glas und Keramikkörpern.
Zur Erniedrigung des Schmelzpunktes und damit erleichterter Verarbeitung enthalten z.B. billige Glassorten Alkali-, v.a. Natrium- und Kalium-Bestandteile. Diese,. Zusätze zum Grundbestand¬ teil SiO« beschränken andererseits die Anwendung solcher Glassorten. Es ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, diese Metallionen zumindest aus der Oberflächenschicht von aus diesem Glas hergestellten Gegenständen nach Formung zu entfernen:
1.) Alkali-Ionen, v.a. Natrim- und Lithium-, aber auch Kalium- Ionen bewirken eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit o.e. Glassorten (R.H. Doremus: "Glass Science", Wiley, New York 1973, S. 146). Wegen zu hoher Oberflächenleitfähigkeit können sie z.B. nicht als Substratgläser in der Mikroelek¬ tronik oder zum Bau elektrischer Leiterplatten verwendet werden (D. J. Newman und M.J. Aggleton, Physics in Technology, Jan. 1977, Seite 10 - 17).
Gegenwärtig wird hierfür sog. "E-Glas" verwendet, das fast alkalifrei ist und sich z.B. aus 50-55 % Si02, 8-12 % B203, 13-15 % A1203, 1-2 % Na20 + K20, 15-17 % CaO und 3-5 % MgO zusammensetz (H.H. Dunken: "Physikalische Chemie der Glasoberfläche", VEB Deutscher Verlag für Grundstoffin¬ dustrie, Leißzig 1981, S. 378). Inzwischen werden Alkalige¬ halte von 0,1 % und weniger gefordert. E-Glas ist durch seinen Gehalt an BpO relativ teuer. Bei seiner Erschmelzung können flüchtige Fluorverbindungen entweichen. Maßnahmen zum Schutz der Umwelt vor diesen Substanzen sind ein zusätzlicher Kostenfaktor. Es ist wünschenswert, diese Nachteile durch Verwendung billiger, konventioneller Gläser, deren Oberflächenschicht von Alkali-Ionen befreit wurde, zu umgehen. Zum anderen könnten E-Gläser mit zu hohem Alkali-Gehalt durch Entzug von restlichem Alkali optimiert werden.
22. ) Zuzsätze von Metalloxiden in Silikatglas erhöhen dessen
Brechzahl und Reflexionsvermögen gegenüber reinem Si0 . Für bestimmte Anwendungen, z.B. Abdeckungen von Sonnenkollekto¬ ren, Bildverglasungen oder Mikroskθ-piegläser sind kosten¬ günstige Flachgläser mit vermindertem Reflexionsvermögen und damit erhöhter Lichtdurchlässigkeit wünschenswert. Mann kann allgemein das Reflexionsvermögen von Gläsern durch Aufbringen von Schichten herabsetzen, deren Brechzahl zwischen der des Glases (ca. 1,5) und dem der Luft (ca. 1,0) liegt. Es sind zwei grundsätzlich verschiedene Vorgehens¬ weisen zur Erzeugung einer solchen Antireflexschicht möglich:
a) Man trägt eine dünne Schicht eines geeigneten Materials auf das zu vergütende Glas auf.
Dies kann am einfachsten durch Sprühen oder Tauchen geschehen. Problematisch ist aber die Kontrolle von Schichtdicke und Homogenität. Technisch aufwendiger ist das Beschichten mittels Vakuumprozessen wie
- "Chemical Vapour Deposition" (W. Kern und V.S. Ban in "Thin Film Processes", Hrsg. J.L. Vossen und W. Kern, Academic Press, New York 1978, S. 258 - 331)
- "Plasma Deposition" (J.R. Hollahan und R.S. Rosler, im selben Band S. 335 - 360)
- Vakuum-Bedampfung (R.Glang in "Handbook of Thin Film Technology", Hrsg. L.I. Maissei und R. Glang, McGraw- Hill, New York 1970, S.1.3 - 1.130) - "Sputtering" (D.S. Campbell, im selben Band S. 5.2 - 5.25)
Der Vorteil dieser Vakuum-Verfahren liegt in der leichten Kontrolle von Schichtdicke und -eigenschaften über die Verfahrensparameter-. Nachteilig ist der erhebliche apparative Aufwand und die Tatsache, daß sich v.a. bei nicht planen Glaskörpern Schichten ungleichmäßiger Dicke bilden können.
b) Die reflexmindernde Schicht kann aber auch durch
Entfernung von Metallionen aus der Oberflächenschicht erzeugt werden. Das zurückbleibende Silikatgerüst hat eine niedrigere Brechzahl. - ■ --
Das Verfahren bietet sich insbesondere bei Vorliegen leicht beweglicher Metallionen wie Alkali-Ionen an. Auch hierzu gibt es verschiedene Verfallen:
- Anlegen elektrischer Gleichspannungsfelder mit Spannungen von einigen kV (z.B. EP 0 001 837 A2, DE-OS 24 37 811 AI). Allgemein ist bei diesen Verfahren nachteilig, daß die zu behandelnden Gläser auf einige hundert Grad Celsius erhitzt werden müssen und daß die Glasoberfläche mit Elektrodenmaterial kontaminiert werden kann.
- Herauslaugen von Alkali-Bestandteilen mit wäßrigen Lösungen. Dies erfordert jedoch bei hydrolytisch beständigen Gläsern große Prozeßdauern. Durch Zugabe von Flußsäure und Siliziumfluorid zu der Lösung kann das Verfahren modifiziert werden (DE-AS 10 17 813).
3.) Aus der Glaswand von Glühlampen und Entladungslampen in den Innenraum austretende Metallionen verändern das Spektrum des abgegebenen Lichtes. Insbesondere die intensive Licht- emission des Natriums stellt bei Lampen, für die ein konstantes Emissionsspektrum gefordert wird, ein Problem dar.
4.) Glasoberflächen können durch Entzug von Alkali-Ionen
"gehärtet" werden. Das alkaliverarmte Glas der Deckschicht hat einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten und übt eine Druckspannung aus, wodurch die zur Rißbildung erforderliche Arbeit erhöht wird. Die Entfernung der Alkali-Ionen geschieht bei den bekannten Verfahren meist durch Einwirkung saurer Gase wie HC1 oder S02, S03, S0C12 usw. zusammen mit Wasserdampf auf die mehrere hundert Grad Celsius heiße Glasoberfläche (H.H. Dunken, a.a-.OrV S. 287; A. Sendt, Glastechn. Ber. 37(2), 1964, 102 - 115; H. Scholze: "Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften", Springer, Berlin 1977, S. 222).
Alternativ wurde auch der Austausch von Kalium- gegen Natrium-Ionen vorgeschlagen (N.H. Ray, M.H. Stacey, J. Mat. Sei 4, 1969, 73 - 79; DE-PS 17 71 248). Ein weiteres Verfahren besteht in der Diffusion der Alkaliionen in einem Gleichspannungsfeld bei Temperaturen nahe der Verformungstemperatur des Glases, durch die die Ionen von der Anode zur Katode verlagert werden (DE-OS 24 28 205). Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren liegt wieder in der Notwendigkeit, die zu behandelnden Glaskörper stark aufzuheizen.
5.) Es ist bekannt, daß die Beständigkeit von Glas gegen
Alterung (H. Scholze: S. 220), Witterungseinflüsse (R.H. Doremus, a.a.O. S. 236) und Säuren (A. Sendt, a.a.O.) vom Alkaligehalt der Oberflächenschicht abhängt. Die Beständig¬ keit von Alkali-haltigen Gläsern kann gesteigert werden, wenn die Alkali-Ionen aus der Oberflächenschicht entfernt werden. Dies ist besonders interessant zur Verhinderung der Korrosion von gläsernen Lichtleitfasern und zur Vermeidung der unerwünschten Auswanderung von Alkali-Ionen aus Glasgefäßen im medizinisch pharmazeutischen Anwendungsbe¬ reich. Konventionell kann die Entfernung der Alkali-Ionen aus der Oberfläche z.B. durch Behandlung der auf einige hundert Grad Celsius erhitzten Glaskörper mit S02 geschehen (R.H. Doremus, a.a.O. S. 236; A. Sendt, a.a.O. S. 110).
Es ist besonders wünschenswert, mit einem Verfahrensschritt mehrere Verbesserungen gleichzeitig zu erreichen, z.B.:
- erhöhte Lichtdurchlässigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit von Alkali-haltigen Silikatgläsern zur Abdeckung von Sonnenkollektoren.
- Schaffung einer Oberflächenschicht mit niedrigem Brechungsindex auf Lichtleitfasern aus Glas bei gleichzeitiger Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Festigkeit.
- Entfernung von Alkali-Ionen aus Arzneimittelgläsern bei gleichzeitiger Sterilisierung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren auszubilden, mit dem durch Entzug von Metallionen, v.a. Alkali- Ionen, sowohl die elektrische Oberflächenleitfähigkeit und das Reflexionsvermögen fertig geformter Körper aus Glas vermindert als auch deren chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit- verbessert werden kann. Dabei soll die Form der zu vergütenden Glaskörper keiner Beschränkung unterliegen. Das Verfahren soll es ermöglichen, die Glaskörper bei Raumtemperatur zu behandeln, um ihre Volumeneigenschaften und ihre Form nicht zu verändern. Andererseits soll wahlweise die Möglichkeit bestehen, geeignet geformte Glaskörper, z.B. Flachglas oder Glasgewebe, während des Prozesses zu erwärmen oder zu kühlen und dadurch Geschwindigkeit und Intensität der Behandlung zu beeinflussen. Das Verfahren soll auch in sinngemäßer Weise auf emaillierte Körper und Körper aus keramischen und sonstigen amorphen sowie kristallinen Werkstoffen anzuwenden sein. Die Aufgabe wird, wie in den Ansprüchen näher erläutert ist, dadurch gelöst, daß der zu vergütenden Oberfläche durch Behandlung mit einem Niederdruck-Plasma oder einer Corona- Entladung Metallionen, insbesondere Alkali-Ionen entzogen werden.
Die Anwendung von Niederdruckplasmen zum Reinigen und zum Ätzen von Glasoberflächen ist bekannt (H.H.Dunken, a.a.O. Kap. 4.4). Bei diesem Verfahren werden in einem sauerstoffhaltigen Entladungsgas, vorzugsweise Luft, durch die energiereichen Ionen des Plasmas, die Verunreinigungen, insbesondere organische Beläge, "abgebrannt" und von der Oberfläche abgetragen. Bei längerer Einwirkung, Erhitzen der Körper und .höherer Energie der Entladung, wird darüberhinaus auch die Oberflächenschicht im ganzen abgetragen (geätzt) und dadurch-.eine für eine Bedampfungs- beschichtung geeignete reine Oberfläche erzeugt.
Es ist ferner bekannt, daß durch Ionenbeschuß bei geringem Druck q
(10 Torr) unter gleichzeitiger Einwirkung eines Magnetfeldes die Oberfläche einer Quarz- oder Glas-Scheibe, die auf der Kathode einer Entladungsvorrichtung befestigt ist, insgesamt abgetragen (gesputtert) wird (Davidce et al, J. appl.Phys. 1966, 574-79).
Es ist ferner bekannt, daß man aus sehr dünnen Schichten (o,5 μm) von SiOp, die 'auf einer Siliziummetallunterlage abgeschieden wurden, Verunreinigungen, z.B. Natrium, in die Metallschicht verdrängen kann, wenn man die Schicht mit energiereichen Ionen bombardiert (Mc Caughan et al, Phys.Rev.Let. 1973, S. 614 - 17).
Unerwarteterweise lassen sich Niederdruckplasmen bei Einhaltung bestimmter Bedingungen, insbesondere bei Verwendung nicht oxidirender Entladungsgase, wie Wasserstoff, Stickstoff oder Edelgase, die für die Oberflächenreinigung nicht oder wenig brauchbar sind, zur selektiven Entfernung von Metallionen, insbesondere von Alkali-Ionen aus der Oberflächenschicht von Glas oder keramischen Werkstoffen einsetzen, ohne daß die behandelten Körper hierzu aufgeheizt werden müssen oder ein elektrisches Zusatzpotential angelegt werden muß. Der Effekt wird vermutlich durch ein Bombardement der Oberfläche mit Gas-Ionen und mit energiereichen, metastabil angeregten Gasteilchen, sowie möglicherweise die "harte" UV-Strahlung aus dem Niederdruckplasma bzw. der Corona-Entladung erreicht. Durch diese Behandlung verarmt die äußere Schicht insbesondere an Alkaliionen und reichert sich an SiOp an, so daß sie "quarzähnlicher" wird und entsprechende Gläser oder Keramik-Körper die vorstehenden vorteilhaften Eigenscha ten aufweisen. Je länger das Plasma einwirkt, desto dicker wird die "Verarmte Schicht".
Die Behandlung von Körpern aus Silikatglas im Niederdruckplasma wird vorteilhafterweise in einem aus Quarzglas bestehen oder innen mit SiOp beschichteten Reaktor durchgeführt, wobei das Niederdruckplasma durch ein über außenliegende Elektroden oder eine außenliegende Metallspule angelegtes elektrisches Hochfre¬ quenzfeld von überlicherweise 13.56 MHz erzeugt wird. Bei dieser Ausführung kann eine Kontamination der Glasoberfläche durch von der Reaktorwand oder den Elektroden abgetragene Metallbestand¬ teile sicher verhindert werden. Bei extrem hohen Reinheitsan¬ forderungen werden zur erfindungsgemäßen Behandlung von Körpern aus Glas oder Keramik die dem Niederdruckplasma ausgesetzten Innenflächen des Reaktors vorteilhafterweise mit einem Material überzogen, das unter verfahrensgemäßen Bedingungen keine störenden Verunreinigungen freisetzt.
Prinzipiell können die Elektroden auch innerhalb des Reaktors angeordnet sein und der Reaktor auch aus Metall bestehen. Es sollten jedoch geeignete Maßnahmen getroffen werden, um die Übertragung von Metallteilchen auf die erfindungsgemäß behandel¬ ten Körper zu verhindern (s. Hierzu: J.L. Vossen, Pure Appl. Chem. 5_2, S. 1759 - 1765). Bei Verwendung innenliegender Elektroden kann die Frequenz des das Plasma erzeugenden Feldes von einer Gleichspannung bis zur Hochfrequenz gewählt werden.
Alternativ können auch spezielle Mikrowellen-Plasma-Reaktoren (z.B. nach US-PS 4,049,940) verwendet werden, wodurch insbesonde¬ re die Innenräume von Hohlkörpern erfindungsgemäß bearbeitet werden können. Der Bau des Reaktors sollte bei vorteilhafter Anwendung des Verfahrens gewährleisten, daß sich die zu vergütenden Körper in der hell glimmenden Zone der Entladung befinden und dem Bombardement ionisierter und metastabil angeregter Gasteilchen sowie der UV-Strahlung ausgesetzt sind. Es werden alle die Flächen von (beliebig geformten) Körpern vergütet, die in Kontakt mit dem Niederdruckplasma stehen. Abgedeckte Flächen oder solche, auf denen die Körper aufliegen, werden nicht vergütet. Die Leckrate von Gaszuführsystem und Reaktor sollte bei vorteilhafter Anwendung des Verfahrens geringer sein als 10 dm3 Pa-/sec.
Zur Vergütung flacher Körper kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Drücken von 13.3 Pa (0.1 Torr) bis 2*10 Pa (2 atm) , vorteilhafterweise 1*10 Pa (1 atm) unter Verwendung von Corona- Entladungsapparaturen durchgeführt werden. Die Frequenz der angelegtenSpannung kann von einer Gleichspannung bis zur Hochfrequenz-Spannung gewählt werden, beträgt aber üblicherweise 10-40 kHz. Die Spannung beträgt je nach Druck und Elektrodenab¬ stand bis zu 20 kV.
Vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorteilhafterweise restliche organische Verunreinigungen von der Oberfläche der behandelten Körper und Reaktorinnenwand bei vorteilhafter Anwendung der Erfindung durch ein 2 - 20-minütiges Niederdruckplasma mit Sauerstoff oder Luft als Entladungsgas bei bspw. 26,6 Pa (o,2 Torr) Druck und einer Leistungsdichte von bspw. 0,05 W/cm3 entfernt, bzw. vorhandene Mikroorganismen abgetötet. Im Falle flacher zu vergütender Körper kann alternativ eine Corona-Entladung bei beispielsweise Normaldruck, einer Spannung von 10 kV, einer Frequenz von 10 kHz und einer Leistung von 1-10 kW verwendet werden.
Der entscheidende, die Metallionen entfernende Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einer Behandlung der Körper mit einem Plasma, bei vorteilhafter Anwendung der Erfindung in einem Niederdruckplasma (bei bspw. 26,6 Pa) oder mit einem durch Corona-Entladung erzeugten Plasma. Als Entladungsgas werden hierfür erfindungsgemäß Wasserstoff, Stickstoff oder ein Edelgas, vorteilhafterweise reines Argon oder Helium verwendet. Luftbeimengungen von 0,5 % oder mehr, die z.B. aus einem ungenügenden Gasaustausch oder einem Leck stammen, scheinen den Erfolg der Behandlung zu beeinträchtigen. Vorzugsweise wird daher bei Sauerstoffanteilen von unter 0,1 % gearbeitet. Es wird angenommen, daß auch andere oxidierende Gase, beispielsweise Halogene, die Metallionenentfernung in gleicher Weise behindern.
Die vom elektrischen Feld auf das Niederdruckplasma übertragene Leistung kann zwischen 0.01 und 1 Watt pro cm3 Plasmavolumen liegen. Bei vorteilhafter Anwendung der Erfindung liegt sie im Bereich von 0.05 W/cm3. Die Parameter Druck und Leistung sind beim Niederdruckplasma nicht völlig unabhängig voneinander einstellbar, da bei gegebener Reaktorkonstruktion und gegebenem Druck nur eine bestimmte Leistung auf das Niederdruckplasma übertragen werden kann. Je höher Druck und Leistung gewählt werden, desto mehr erwärmt sie die Oberfläche des behandelten Körpers durch die Niederdruckplasmabehandlung. Bei erfindungsge¬ mäßer Verwendung einer Corona-Entladung ergibt sich beispiels¬ weise eine vorteilhafte Anwendung bei Normaldruck, einer Spannung von 6 kV, einer Frequenz von 10 kHz und einer Leistung von 1-10 kW.
Die Dauer der Plasmabehandlung bestimmt sich nach dem gewünschten Verarmungsgrad an Metallionen. Für Alkali-Ionen liegt die typischerweise im Bereich von einigen Minuten bis zu einer Stunde. Auch dieser Verfahrensschritt bewirkt eine Abtötung von Mikroorganismen.
Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
a) Es können Fertigprodukte aus leicht und billig zu verarbei¬ tenden Alkali-haltigen Gläsern oder keramischen Werkstoffen oder emaillierte Gegenstände nach ihrer endgültigen Formgebung vergütet werden. b) Die zu vergütenden Teile müssen nicht plan sein, sie können beliebige Form haben.
c) Flachgläser oder Glasfasergewebe können geheizt (was die Behandlung intensiver und tiefenwirksamer macht) oder gekühlt werden (was die Behandlung schonender und ober¬ flächenselektiver gestaltet). Im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren ist eine Beheizung der zu vergütenden Körper jedoch keinesweg notwendig.
d) Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr schonend. Abgesehen von der vergüteten Oberflächenschicht werden die Eigenschaf¬ ten der behandelten Körper nicht verändert.
e) Das erfindungsgemäße Verfahren kann leicht über die Parameter Druck, Leistung, Dauer und ggf. Temperatur gesteuert werden.
f) Das Verfahren kann mit bereits auf dem Markt erhältlichen, geeigneten Anlagen, z.B. RIE ("Reactive Ion Etching")- Anlagen, Corona-Entladungsanlagen oder Mikrowellen- Reaktoren, durchgeführt werden.
g) Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft in Vakuum-Produktions-Linien, wie sie z.B. in der Mikroelektro¬ nik verwendet werden, integriert werden.
h) Es ist leicht möglich, die zu vergütenden Körper vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Luft-Plasma von organischen Verunreinigungen zu befreien. Dies ist bedeutsam für gleichbleibende Vergütungsquälitat.
i) Die erfindungsgemäße Behandlung mit einem beliebigen Entladungsgas wirkt sterilisierend. j) Es werden nur einfache Gase (Edelgase, Wasserstoff,
Stickstoff, dazu ggf. Luft oder Sauerstoff) in geringer Menge, sonst weiter keine Chemikalien benötigt. Umweltschäd¬ liche Substanzen werden nicht erzeugt. Es müssen keinerlei Restchemikalien oder Abfallprodukte entsorgt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahen wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Eine entsprechende Anordnung ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Sie eignet sich besonders zur Vergütung kleiner Glaskörper. Ein Glasreaktor (1) mit einem Volumen von 0.9 dm3 wird nach Entfernung einer Kappe (2) mii den zu vergütenden Glaskörpern beschickt, wieder mit der Kappe verschlossen und mit einer geeigneten Rotationspumpe oder einer Diffusionspumpe evakuiert.Der Druck wird mit einem elektrischen Vakuummeter (3) abgelesen. Die Rückströmung von Kohlenwasserstoffen aus der Pumpe wird mit einer Kühlfalle (4) oder einem Absorptionsfilter unterdrückt. Flache Substrate (5) können bei Bedarf zur Intensivierung der Behandlung auf bis zu 250 °C erwärmt werden. Hierzu wird ein von einem Ölthermostaten (6) heißes Öl durch einen Substrathalter (7) gepumpt. Bei alternativer Verwendung eines Kühlthermostaten ist auch Kühlung möglich. Zur Reinigung der Oberfläche der zu vergütenden Glaskörper von organischen Verunreinigungen werden diese zunächst einem Luft-Plasma ausgesetzt.
Mit einem Feinregulierventil (8) wird in dem evakuierten Reaktor Luft zudosiert, bis ein konstanter Druck von 26,6 Pa (0,2 Torr) erreicht ist und durch Einschalten eines Hochfrequenz-Generators (9) das Niederdruckplasma gezündet. Mittels eines Anpassungsnetz¬ werks (10) wird die reflektierte elektrische Leistung minimiert und die vom Niederdruckplasma aufgenommene Leistung auf 40 W eingestellt. Die aufgenommene Leistung wird als Differenz von eingespeister und reflektierter Leistung mit einem Wattmeter (11) bestimmt. Nach 20 Minuten Brenndauer des Plasmas wird der Generator abgeschaltet, die zudosierte Luft abgestellt und der Reaktor auf den niedrigsten erreichbaren Druck leergepumpt.
Zur Entfernung der Metallionen aus der Oberflächenschicht der Glaskörper wird nun eine 30 Minuten lange Plasmabehandlung mit Argon (3-Ring) bei 26,6 Pa (0,2 Torr) und 40 W in der beschriebe¬ nen Weise durchgeführt. Nach der Behandlung wird der Reaktor über ein Belüftungsventil (12) belüftet und die vergüteten Glaskörper deπr Reaktor entnommen.
Figuren 2 bis 7 zeigen ESCA ("Electron Spectroscopy für Chemical Analysis") - Spektren zweier Deckgläschen für Mikroskopierzwecke, von denen eines unbehandelt blieb, das.-andere dem im AusfUhrungs¬ beispiel beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wurde. Die Übersichtsspektren (Fig. 2 und 3) zeigen die Signale aller in der Glasoberfläche vorhandenen Elekente. man erkennt deutlich die Abwesenheit von Signalen des Natriums und des Kaliums in Fig. 3. Figuren 4 bis 7 geben die Signale von Kalium, Natrium und Aluminium in höherer Auflösung wieder. Figur 4 zeigt bei Bindungsenergien (B.E.) von 293,5 eV und 296,0 eV das 2p3- und das 2p1-Signal des Kaliums (die Signale bei 285 und 288,5 eV stammen von Kohlenstoff-Verunreinigungen) an der unbehandelten Glasoberfläche. An der erfindungsgemäß behandelten Glasoberfläche (Fig. 5) sind die Signale des Kaliums verschwunden. Figur 6 zeigt das 2s-Signal des Natriums (63,4 eV) und das 2p-Signal des Aluminiums (74,3 eV) an der unbehandelten Glasoberfläche. Figur 7 zeigt den entsprechenden Bereich des Spektrums der behandelten Oberfläche. Die Signale von Natrium und Aluminium sind verschwun¬ den. Die ESCA-Spektren demonstrieren, daß Kalium, Natrium und Aluminium durch das erfindungsgemäße Verfahren aus der Ober¬ flächenschicht des Glases entfernt werden.
Einen Monat später aufgenommene Spektren von derselben Probe weisen ebenfalls keine Signale von Kalium, Natrium und Aluminium auf. Das zeigt, daß der erzielte Effekt zeitstabil ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1.) Verfahren zur Entfernung von Metallionen, insbesondere Natrium, Kalium und/oder Aluminiumionen aus der äußeren Schicht geringer Dicke von Körpern aus Glas oder keramischen Werkstoffen unter Anreicherung von Siliziumdioxid, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper eine vorgegebene Zeit lang einem Plasma - Niederdruckplasma oder durch Corona-Entladung erzeugtes Plasma - ausgesetzt werden, wobei als Entladungs¬ gas Wasserstoff, Stickstoff oder ein Edelgas verwendet wird.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Plasmas zwischen 1 Pa und 1000 Pa oder größer gewählt wird.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Entladungsgas Argon oder Helium verwendet wird.
4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von oxidierenden Fremdgasen am Entladungsgas geringer ist als 0,5 %.
5.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Leistungsdichte im Plasma zwischen 0,01 und 1 W pro cm3 Plasmavolumen liegt.
6.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe vorher in einem sauerstoffhaltigen Entladungsgas mit einem Plasma von oberflächlichen Verunreinigungen, insbesondere organischen Belägen, befreit sind.
7.) Verfahren nach Anspruch 1 bis .6, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Quarzglas bestehender Reaktor mit außenliegenden Elektroden oder einer außenliegenden Spule verwendet wird und daß das Plasma durch eine hochfrequente WechselSpannung von über 1 MHz erzeugt wird.
8.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Metall bestehender Reaktor mit innenliegenden Elektroden verwendet wird und daß das Plasma durch Anlegen einer Gleichspannung, einer nieder- oder hochfrequenten WechselSpannung erzeugt wird.
9.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrowellen- Plasma-Reaktor verwendet wird.
10.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Plasmas eine Corona-Entladung, gekenn-
5 zeichnet durch einen Druck von 10 Pa bis 2 10 Pa, durch eine Spannung von 200 V bis 30 kV, eine Frequenz von
Gleichstrom bis 1 MHz und einen Elektrodenabstand von 0.5 mm bis 10 mm, verwendet wird.
11.) Glas- oder Keramikkörper, deren äußere Schicht an Metall¬ ionen, insbesondere Natrium-, Kalium- und/oder Aluminium¬ ionen verarmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 herge¬ stellt sind.
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