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Excimer: Die Erklärung der Technik

August 20th 2019

Excimer: Die Erklärung der Technik

Worum geht es bei der Excimer-Technologie?

Der seit den 1960er-Jahren verwendete Begriff Excimer setzt sich zusammen aus „Excited Dimer“ (angeregtes Dimer). Ein Dimer ist ein Molekül(verbund) mit zwei Untereinheiten. Excimer-Strahlung wird durch eine speziell beschichtete und mit Edelgas gefüllte VUV-Lampe (Vakuumultraviolett-Lampe) erzeugt. Wenn hochenergetische Elektronen von außen in die abgedichtete Lampe eintreten, entsteht eine starke Plasmaentladung (auch als stille elektrische Entladung oder dielektrische Barriereentladung bezeichnet). Das generierte Plasma enthält nun hochenergetische Elektronen und kann unmittelbar erlöschen. Das Plasma induziert die atomare Anregung des Edelgases in der Lampe, und dadurch kommt es zur Bildung von Excimeren (angeregten Dimeren). Excimere treten auf, wenn hochenergetische Orbitalatome angeregte molekulare Paare bilden. In einer Xenon-Excimer-Lampe bilden hochenergetische Xenon-Atome (Xe-Atome) angeregte Xe2-Moleküle.

Als Endphase der Reaktion folgt die VUV-Emission. Diese Phase ist abgeschlossen, wenn die Excimer-Moleküle wieder in ihren ursprünglichen Zustand (Grundzustand) zurückkehren und dadurch die Emission des excimerspezifischen Lichtspektrums auslösen. Die entstandenen VUV-Lichtpartikel bewegen sich durch die Luft und werden teilweise von Sauerstoff absorbiert, sodass sich auf dem Substrat Ozon bildet und die Molekularbindungen der Oberfläche aufbrechen. Die gespaltenen Moleküle werden teilweise entfernt, sodass auf dem Substrat eine chemisch behandelte Deckschicht entsteht. Dieser Effekt verteilt sich über die gesamte Länge der Lampe, die Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 172 und 310 Nanometer (nm) emittieren kann. Während der Herstellung bei USHIO sind Anpassungen an die spezifischen Anforderungen möglich. Am häufigsten wird eine Wellenlänge von 172 Nanometer genutzt. Die Energie beläuft sich dann auf 7,23 Elektronenvolt – ausreichend Leistung, um alle wesentlichen Bindungen organischer Moleküle direkt aufzubrechen. Ausgenommen sind lediglich Dopellbindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff (C=O) sowie Bindungen bei einigen anorganischen Oxiden.

Excimer /ˈɛksɪmə/ ist ein kurzlebiges Molekül und leitet sich ab vom Begriff – also angeregter Dimer. Es entsteht durch eine Bindung kleinerer elektronisch angeregter Atome oder Moleküle

Per Definition bezieht sich der Begriff Excimer auf homodimere Bindungen zwischen Molekülen derselben Art. Für angeregte Komplexe, die aus heterodimeren bzw. zwei verschiedenen Molekülen bestehen, lautet der offizielle Begriff für den entstandenden Molekülverbund Exciplex. Der Begriff Excimer wird jedoch im Allgemeinen auch zur Beschreibung dieser Bindungen verwendet.

Die Excimer-Strahlung kann in einem einzigen Verfahren sowohl die Oberfläche reinigen als auch

  • Auf der Substratoberfläche befinden sich organische Verunreinigungen, wie Fette, Öle und/oder.
  • Die 172nm-Strahlung bricht Bindungen an der Substratoberfläche auf.
  • Im Luftspalt zwischen dem Excimer-Modul und dem Substrat entstehen durch Absorption von 172nm-Strahlung energiereiche Sauerstoffradikale und Ozon. Die Radikale oxidieren die verbliebenen Molekülreste und entfernen sie so von der Oberfläche.

Excimer-Strahlung für höhere Oberflächenenergie und Benetzungsfähigkeit

Excimer-Strahlung bewirkt durch Erhöhen der Oberflächenenergie – gemessen in Millinewton pro Meter (mN/m) –eine Aktivierung der Oberfläche. Die Oberflächenenergie bestimmt den Kontaktwinkel zwischen einer Flüssigkeit und einer festen Oberfläche. Um beispielsweise beim Drucken und Kleben eine gute Haftung und gleichmäßige Verteilung zu erreichen, ist ein kleinerer Kontaktwinkel notwendig.

Excimer-Kontaktwinkel und Benetzungsfähigkeit
  • Oberflächenenergie von Flüssigkeit > Oberflächenenergie von Substrat: Geringe Benetzungsfähigkeit und Haftung
  • Oberflächenenergie von Flüssigkeit = Oberflächenenergie von Substrat: Kontaktwinkel 90°, durchschnittliche Benetzungsfähigkeit
  • Oberflächenenergie von Flüssigkeit < Oberflächenenergie von Substrat: Gute Benetzungsfähigkeit und Haftung

Erforderliche Oberflächenenergie (indikativ):

  • Lösemittelbasierte Tinte ≥ 34 mN/m
  • UV-Tinte: 36–42 mN/m
  • Wasserbasierte Farbsysteme: 38–50 mN/m
  • Beschichtungen: 36–42 mN/m
Excimer-Behandlungseffizienz bei PVC

Die Oberflächenbestrahlung von Polymeren und anderen Kompositmaterialien ist die vielleicht gängigste Anwendung der Excimer-Technologie, aber nahezu alle Oberflächen lassen sich damit behandeln. Wenn die Excimer-Technologie auf Siliziumwafer, Metalle und Glas angewendet wird, lassen sich deutliche Verbesserungen bei Reinigung, Beschichtung und Verklebung erzielen. In einigen Fällen kann sogar der Zustand der Superhydrophilie erreicht werden. Dann geht der Kontaktwinkel der Flüssigkeit gegenüber der Oberfläche gegen Null und aus dem Flüssigkeitstropfen entsteht ein Flüssigkeitsfilm.

Excimer-Benetzungsfähigkeit von Metallen

eine sanfte Alternative zu Korona- und Plasmaentladungsbehandlungen

Die Excimer-Technologie eignet sich als Alternative zu korona- und plasmabasierten Oberflächenbehandlungen. Im Vergleich zu anwendungsähnlichen Infrarotverfahren entsteht durch das bei der Excimer-Technologie verwendete Kaltlicht erheblich weniger Überschusswärme. Die Excimer-Technologie erzeugt so gut wie keine IR-Emissionen, und somit kommt es auch nicht zu einer thermischen Belastung des Substrats. Aufgrund dieser geringeren thermischen Belastung wird die Oberflächenstruktur nicht beschädigt, sodass die Haftergebnisse besser werden. Dadurch ist die Excimer-Technologie eine ideale Lösung für die Behandlung wärmeempfindlicher Substrate wie Folien.

Korona- und Plasmabehandlungen basieren auf elektrischer Entladung. Die Oberfläche des behandelten Objekts wird dadurch stärker beansprucht. Elektrische Entladung tritt auf, wenn Flüssigkeit in der Luft um einen Leiter herum ionisiert wird. Bei Korona- und Plasmabehandlungen kommt es dazu durch das Anlegen einer hohen Spannung zwischen zwei Elektroden. Die Excimer-Lampen von USHIO nutzen zur Oberflächenbehandlung stattdessen VUV-Licht. Dadurch kommt es nicht zu einer Entladungsreaktion und auch nicht zu einer Beschädigung der Substrate; eine erhebliche Wärmebelastung der Oberfläche entfällt ebenfalls.

„Excimer: Akronym aus der Kurzform von „excited dimer“ (angeregtes Dimer). Damit wird die Verhaltensweise beschrieben, die Moleküle bei Bestrahlung mit VUV-Licht (Vakuumultraviolettstrahlung) auf einer Substratoberfläche zeigen.“

Die von einer Excimer-Lampe emittierten Photonen haben im Vergleich zu den beschleunigten Partikeln von anderen Behandlungsmethoden eine relativ geringe Energie. Für die Oberfläche ist damit ein spürbarer Unterschied verbunden: Der sanftere Ansatz raut die Substratoberfläche nicht auf wie die Korona- und Plasmabehandlung. Betrachtet man eine entladungsbehandelte Oberfläche unter dem Elektronenmikroskop, zeigt sich als Folge des molekularen Bombardements eine mondartige Struktur mit großen, verstreut liegenden Löchern. Bei Betrachtung desselben Materialtyps nach einer Excimer-Behandlung zeigt sich eine nach wie vor glatte Oberfläche, die eine höhere Homogenität aufweist.

Da kein elektrisches Feld entsteht, führt die Excimer-Behandlung anders als die erwähnten Alternativen nicht zu Staubkontamination und kann im gesamten Elektronikbereich eingesetzt werden, wo es sonst durch die Entladung zu statischen Problemen kommen kann.

Die aufgeführten positiven Effekte werden noch ergänzt durch einige willkommene technische Spezifikationen:

Vorstellung der ExciJet-Serie von USHIO

  • Unterstützung von Linienspektren und breiten Streuungen
  • Umgehende Ein-/Ausschaltung ohne Heiz- und Kühlzyklen
  • Bessere Manövrierbarkeit dank des kompakten Formats der ExciJet-Module
  • Einfaches Steuerungssystem und integriertes Netzteil
  • Skalierbarkeit für potenziell unbegrenzten Einsatz von Lampen und Modulen
Große Excimer-Lampen von USHIO

Die Excimer-Technologie ist – für manche vielleicht überraschend – nicht neu. USHIO entdeckt und optimiert schon seit einem Vierteljahrhundert weitere Anwendungen, und das erstaunliche Potenzial der Excimer-Technologie wird nicht weniger. Ein vorläufiger Höhepunkt wurde mit der sehr erfolgreichen Einführung der ExciJet-Serie erreicht, mit der die Technologie in leicht tragbaren Lösungen nutzbar wird:

Oberflächenbehandlung mit einer EXCIMER-Lampe
  • Kompakte, anpassbare Plug-and-Play-Module für Laboruntersuchungen
  • Robuste, mobile Lösungen mit Dimmbarkeit für industrielle Anwendungen
  • Hohe Homogenität >>> Optimiert für die Halbleiterherstellung
  • Reinigung mit 300 m/min bei der LED-Panel-Herstellung dank VUV-Leistung von über 170 mW/cm2
  • Experten im Nachbetreuungsteam als Ergänzung für noch mehr

Excimer-Innovationslabor von USHIO mit VUV-Strahlung zum Selbsterleben

USHIO verzeichnet eine starke Zunahme der Anfragen rund um Excimer-Lösungen und ist im Zusammenhang damit regelmäßig mit großem Erfolg bei der LOPEC vertreten. Die weltweit führende Fachmesse für gedruckte Elektronik findet jährlich in München statt. Die unternehmensinternen Excimer-Spezialisten Esmat Jawad und Dr. Jörg Söllner waren dieses Jahr mit einem Paket für Live-Vorführungen dabei. Verschiedene Substrate wurden mit einer modularen ExciJet-Lampe für 172 nm  behandelt und beim Besprühen mit Wasser kam dann das bestrahlte USHIO-Logo zum Vorschein. Besucher konnten sich so am Messestand von der Qualität der Excimer-Oberflächenaktivierung überzeugen. Die Live-Vorführungen waren angelehnt an typische Anwendungen, die im Excimer-Innovationslabor von USHIO getestet werden. Beispielhaft werden damit die einfachen Verfahren gezeigt, mit denen USHIO optimale Standards für individuelle Implementierungen sichert.

Die Excimer-Lichttechnologie von USHIO ermöglicht es, Präzisionsteile etwa aus den Bereichen Optik und Medizintechnik ohne Einsatz von Klebstoffen bzw. Chemikalien zu verbinden. Bei der Behandlung werden zwei Substrate zusammengepresst, sodass bei niedrigem Druck und geringer Temperatur in kürzerer Glühzeit eine starke, dauerhafte Verbindung entsteht.

Die von USHIO entwickelte Excimer-Technologie hat sich bei folgenden industriellen Prozessen erfolgreich bewährt:

Excimer-Innovationslabor von USHIO mit VUV-Strahlung zum Selbsterleben

USHIO verzeichnet eine starke Zunahme der Anfragen rund um Excimer-Lösungen und ist im Zusammenhang damit regelmäßig mit großem Erfolg bei der LOPEC vertreten. Die weltweit führende Fachmesse für gedruckte Elektronik findet jährlich in München statt. Die unternehmensinternen Excimer-Spezialisten Esmat Jawad und Dr. Jörg Söllner waren dieses Jahr mit einem Paket für Live-Vorführungen dabei. Verschiedene Substrate wurden mit einer modularen ExciJet-Lampe für 172 nm  behandelt und beim Besprühen mit Wasser kam dann das bestrahlte USHIO-Logo zum Vorschein. Besucher konnten sich so am Messestand von der Qualität der Excimer-Oberflächenaktivierung überzeugen. Die Live-Vorführungen waren angelehnt an typische Anwendungen, die im Excimer-Innovationslabor von USHIO getestet werden. Beispielhaft werden damit die einfachen Verfahren gezeigt, mit denen USHIO optimale Standards für individuelle Implementierungen sichert.

Die Excimer-Lichttechnologie von USHIO ermöglicht es, Präzisionsteile etwa aus den Bereichen Optik und Medizintechnik ohne Einsatz von Klebstoffen bzw. Chemikalien zu verbinden. Bei der Behandlung werden zwei Substrate zusammengepresst, sodass bei niedrigem Druck und geringer Temperatur in kürzerer Glühzeit eine starke, dauerhafte Verbindung entsteht.

Die von USHIO entwickelte Excimer-Technologie hat sich bei folgenden industriellen Prozessen erfolgreich bewährt:

  • Aktivierung von Oberflächen
  • Reinigung von Oberflächen
  • Modifikation von Oberflächen
  • UV-Aushärtung
  • Mattierung
  • Desinfektion
  • Vorbehandlung beim Beschichten von Kompositmaterialien
  • Klebstofffreie Verbindungen (Photobonding)
  • Entfernung von Verunreinigungen aus Produktionsprozessen
  • Photochemische oder biologische Modifikation von Gasen, Flüssigkeiten usw.

Individuell konfigurierte Excimer-Lampen und zugehörige Gehäuse sind auf Anfrage erhältlich – damit erschließen sich enorme Anwendungsmöglichkeiten bei verschiedenen Materialien und Oberflächen. Dank des integrierten Netzteils und der völligen Flexibilität bei den Spezifikationen lassen sich die Excimer-Lampen und modularen Lösungen problemlos den jeweiligen Anforderungen anpassen. USHIO kann Ihnen nicht nur dabei helfen, das richtige Produkt für Ihre Anforderungen zu finden, sondern gibt Ihnen ausgehend von jahrelanger Forschung auch Empfehlungen rund um das Verfahren und die Ausführung.

  • Vielfältige Längen- und Leistungsoptionen (mit Dimmbarkeit): Lampen mit 9 W und 55 mm bis hin zu Lampen mit 2 kW und 2600 mm
  • Unbegrenzte Lampenleistung und individuelle Kalibrierung für die Untersuchung verschiedener Spektren
  • Phosphorgenerierte Wellenlängen von 172 bis 310 nm
USHIO ExciJet-Modul

Excimer-Lampen und modulare Lösungen von USHIO sind das Ergebnis der im Verlauf von 30 Jahren getätigten Investitionen in Forschung und Entwicklung. Bis heute werden ständig neue Anwendungsfortschritte erzielt. Kürzlich lag ein Schwerpunkt des Forschungsteams darauf, den 3D-Druck von Elektronik direkt auf vorbehandelte Oberflächen zu ermöglichen. Dieser Fortschritt wird aller Voraussicht nach bedeutende Auswirkungen auf Produkte haben, bei denen eine Gewichtsreduktion wichtig ist, etwa in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Für diese wichtigen Branchen dürfte ebenfalls von Interesse sein, dass sich bestimmte Materialien per Excimer-Technologie auch klebstofffrei verbinden lassen. Bei einigen Polymeren ist es sogar möglich, Verbindungen zu Quarzglas herzustellen! Im folgenden Diagramm sind Beispiele für Glas-, Mineral- und Polymerarten aufgeführt, die unter Einsatz der Excimer-Technologie verbunden werden können.

Diagramm zu klebbaren Substraten von USHIO Excimer

USHIO-Lösungen für Excimer-Strahlung

Alles in allem sind die Erfordernisse beim jeweiligen spezifischen Prozess ausschlaggebend. Das USHIO-Team berät Kunden äußerst kompetent – genau deshalb kommen sie immer wieder. Die Vorteile der Excimer-Technologie liegen klar auf der Hand, und die Oberflächenaktivierung ist nützlich für alle möglichen Anwendungen. Bei falscher Auswahl kann es später allerdings zu teuren Komplikationen kommen. Die Excimer-Technologie ermöglicht auf einzigartige Weise eine Bestrahlung ohne elektrische Entladung direkt auf der Substratoberfläche. Dadurch haften Tinten, Klebstoffe und andere Materialien länger auf den aktivierten Oberflächen.

Strichcode-Vergleich: Farbhaftung mit und ohne Excimer-Technologie

Gern sind die hoch qualifizierten Entwicklungs- und Produktionsteams von USHIO mit intensiven Problemstudien, gründlichen Forschungsanalysen und umfassenden Tests für Sie da. Mit der starken Kundenorientierung von USHIO werden Ihre Vorgaben penibel umgesetzt. Wenn es um Qualität geht, spielt das USHIO-Team seine Stärke aus. Das gilt auch für den Kundenservice: Akribische Mitarbeiter sorgen für hundertprozentige Zufriedenheit – Konzept und Lösung werden genau auf Ihre Anforderungen abgestimmt.

Noch nicht überzeugt? Einige USHIO-Kunden und -Geschäftspartner empfehlen die Excimer-Technologie überzeugt weiter. Klicken Sie auf die Symbole unter den einzelnen Kundenreferenzen, um mehr über Erfolgsbeispiele rund um die Excimer-Technologie von USHIO zu erfahren.

„Die Sterilisation von medizinischen Instrumenten ist äußerst wichtig – jede Verbesserung in diesem Bereich kann Leben retten. Um eine konsistente Qualität zu sichern und immer besser werden zu können, arbeiten wir mit zuverlässigen Partnern zusammen. Einer davon ist USHIO. Bei unserer medizinischen Desinfektion mit Sterilisation verlassen wir uns auf die Präzision der Excimer-Technologie. Das USHIO-Team hat uns mehrere Konstruktionsvorschläge unterbreitet. So konnten wir eine fundierte Entscheidung treffen und die besten Lampen für einen kontinuierlichen Fortschritt auswählen.“

„Ohne die Excimer-Technologie von USHIO hätten wir dieses Ergebnis niemals erreicht. Sie war die Lösung für unsere letzte große Problemstellung im Projekt. Das Team von USHIO hat sich von Anfang bis Ende intensiv in das Projekt eingebracht. Das Know-how und die Serviceorientierung von USHIO brachten das ohnehin hervorragende Ergebnis der Excimer-Technologie auf den Punkt. Mit dem Excimer konnten wir die Oberflächenhaftung so bearbeiten, dass wir schließlich die besondere Flexibilität und Transparenz erzielten, die das Photonflex-Projekt verlangte. USHIO hat dies optimal, schnellstmöglich und auf die beste Art und Weise umgesetzt.“

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