1. Phase

Projektbereich A
PVD-Beschichtung metallischer Komponenten für die Kunststoffverarbeitung


A1: High Power Puls Magnetron Sputtering (HPPMS) - Schichtsynthese und Prozessverständnis

Nazlim Bagcivan und Kirsten Bobzin

Zielsetzung von A1 ist die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses über den Zusammenhang zwischen Beschichtungsparametern und Schichteigenschaften. Exemplarisch soll dieses für die Herstellung von Schichten für Komponenten der Kunststoffverarbeitung durchgeführt werden. Beispielhaft erfolgt am System Cr-Al-O-N ein Vergleich des HPPMS-Prozesses mit den herkömmlichen DC- und gepulsten MSIP-Prozessen. Der Einfluss der Abscheideparameter wie Pulsleistung, Pulsfrequenz, Gasfluss und Biasspannung auf das Plasma wird mittels Plasmadiagnostik untersucht. Die Prozessgrößen sollen dann wiederum mit den in diesem Teilprojekt ermittelten Schicht-, Verbund- und Systemeigenschaften korreliert werden.

A2: Verständnis der molekularen Adhäsion an der Grenzfläche zwischen polymerer Schmelze und Plasmaschicht

Guido Grundmeier

Im TP A2 soll die Voraussagbarkeit der resultierenden Schichteigenschaften durch die Korrelation der chemischen Struktur der Oberflächen nach der Synthese im Vakuum und die Überführung in die atmosphärische Umgebung mit den Parametern des Plasmaabscheideprozesses der Schichten auf Basis oberflächenanalytischer (PM-IRRAS, XPS) und hochauflösender mikroskopischer Methoden (UHV-AFM) erreicht werden. Dies soll langfristig zu einer Brückenbildung zwischen den Beschichtungsparametern, also der Plasmachemie im Volumen, aus dem die Schicht gebildet wird, und dem Verhalten der Schicht im Kontakt mit der polymeren Schmelze führen.

A3: Quantenmechanisch geführtes Design von Verschleißschutzschichten für die Kunststoffformgebung

Jochen M. Schneider und Denis Music

Auf Grundlage von ab-initio-Daten (elast. Eigenschaften, Phasenstabilität, Oberflächenenergie) wird eine Schichtauswahl getroffen. Die selektierten Oxynitride und Boride werden durch kombinatorische Abscheidung mittels HPPMS synthetisiert und ihre Eigenschaften untersucht. Diese Daten bilden die Basis für das quantenmechanisch geführte Design von Verschleißschutzschichten für die Kunststoffformgebung und werden zur Entwicklung einer Methodik zur eigenschaftsorientierten und diagnosebasierten Kontrolle von Nichtgleichgewichtsplasmaprozessen in A1 genutzt.

A4: Werkstoffmodellbildung zur Beschreibung des elastischen und plastischen Verhaltens nanostrukturierter Schichten

Kirsten Bobzin

Im Teilprojekt A4 soll eine auf FEM basierte Methode zur Prognose des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens nanostrukturierter Schichten entwickelt werden. Auf Basis von Eingangsdaten wie Schicht- und Gefügeanordnung sowie der Phaseneigenschaften wird das lastabhängige Dehnungsverhalten simuliert. Zur Verfikation der Prognosefähigkeit des Modells werden die Fließkurven der Schichten experimentell durch Nanoindentation, gekoppelt mit FEM-Simulationen des Indentationsprozesses, untersucht. In der ersten Antragsphase sollen sich die Untersuchungen insbesondere auf nanolaminierte Schichtsysteme konzentrieren.

A5: HPPMS Plasmen: Zeit- und ortsaufgelöste Charakterisierung

Jörg Winter und Teresa de los Arcos

Im Vordergrund stehen hoch aufgelöste Messungen und die Analyse der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Plasmas (Ionisationsgrad, Stabilität, Dichte- und Energieverteilung der Spezies, usw.) während und nach dem HPPMS Hochleistungspuls. Teilziel ist auch die Untersuchung der Bildung von Nanopartikeln aus dem übersättigten Metalldampf. Langfristig wollen wir die Partikel kontrolliert in die abgeschiedenen Schichten einbauen. Das Gesamtziel ist, eine Methodik zur diagnostikbasierten Kontrolle von HPPMS für die Erzielung bestimmter Schichteigenschaften abzuleiten. A5 bekommt Input bezüglich der Abhängigkeit der Ionenenergieverteilung vom Substratbias von C3. Die grundlegenden Ergebnisse von A5 sind Input für die Modellierungsprojekte C5, C6 und Basis für die Entwicklung maßgeschneiderter Prozesse zur Schichtabscheidung in A1.



Projektbereich B
PECVD-Beschichtung von Kunststoffprodukten mit dehnbaren Barriereschichten


B1: Plasmagestützte (PECVD) Barrierebeschichtung von flexiblen Kunststoffen am Beispiel von Polyester

Christian Hopmann

Es sollen flexible, plasmagestützte Barriereschichten für Kunststofffolien aus Polyethylenterephthalat (PET) erforscht werden, die höhere Dehnungen (> 4 %) bis zum mechanischen Versagen erlauben. Dazu werden Untersuchungen an extrem dünnen Schichten (< 20 nm) und Versuche mit mehrlagigen Schichtsystemen angestrebt. Diese Barrieresysteme sollen in mikrowellenangeregten PECVD-Prozessen mit Bias-Unterstützung unter Berücksichtigung der Prozesse aus B2 und B4 großflächig abgeschieden werden. Ihre Funktion wird grundlegend, unter Dehnung und entlastet, charakterisiert und mit den Plasmaprozessen korreliert.

B2: a-Si:H/a-C:H Mulitilayer als dehnungstolerante Barriereschichten auf Kunststoffen

Jörg Winter und Marc Böke

Auf der Basis von a-Si:H/a-C:H Vielfachschichten sollen dehnungstolerante, gut haftende Barriereschichten auf Kunststoffen mit kapazitiv bzw. induktiv gekoppelten Plasmen mit rf-Bias abgeschieden und untersucht werden. Dabei sollen sich polymerartige Gleitschichten und harte, diamantähnliche Lagen abwechseln. Ein wichtiger Teilaspekt ist die geeignete Vorbehandlung des Substrats. Ein weitergehendes Teilziel ist die Untersuchung der Plasmasynthese von Nanopartikeln und ihre Einbettung in die Schichten. B2 bekommt Input bezüglich der Verformungsprozesse von B3 und der Elementarmechanismen bei der Vorbehandlung von C7. B2 benutzt Spannungsanalytik von C2 und steht in engster Wechselbeziehung mit B5 und B1.

B3: Analyse der durch Verformung induzierten Defektbildung in nanostrukturierten dünnen Plasmaschichten auf polymeren Substraten

Guido Grundmeier

Die Verformungseigenschaften der durch gepulste Hochleistungsplasmen hergestellten Multilagen-, Gradienten- und nanostrukturierten Plasmapolymerschichten werden in B3 mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie (AFM) im Vakuum und im Elektrolyten sowie mit Hilfe elektrochemischer Methoden (elektrochemische Impedanzspektroskopie, Zyklovoltammetrie) unter Zugbelastung in-situ analysiert. Die gemessenen Änderungen der Schichtdicke der Plasmapolymerschichten und die initialen Stadien der Rissbildung werden mit der chemischen Zusammensetzung und der Morphologie sowie den Grenzflächenkräften der Schichten korreliert. Die Grenzflächenchemie der Schichten sowie die Einlagerung von Wasser in dieselben werden mittels in-situ FTIR Spektroskopie untersucht.

B4: Plasmadiagnostik zur Synthese von multilagen SiOx -Gradientenschichten mit gepulsten Mikrowellenplasmen und HF-Biasing mit variablen Spannungsformen

Peter Awakowicz

Mikrowellenangeregte Niederdruckplasmen mit geringer Ionenenergie von ca. 10 eV auf dem Substrat werden zur Oberflächenmodifikation und -beschichtung eingesetzt. Bisher werden SiOx-Barriereschichten auf Folien und Hohlkörper abgeschieden und charakterisiert, ohne allerdings die Ionenenergie zu kontrollieren und geeignet zu justieren. Mit Hilfe eines arbiträren Substratbias, mit dem variable Ionenenergieverteilungen erzeugt werden, wird der Einfluss der Ionenenergie auf die Eigenschaften der Schicht und des Plasmas untersucht. Die erzielten Schichteigenschaften werden in-situ und ex-situ mit den Plasmaeigenschaften korreliert.

B5: Einfluss der Kunststoffeigenschaften auf den Plasmaprozess

Christian Hopmann

Plasmaprozesse und die resultierenden Oberflächeneigenschaften werden neben den Prozessparametern auch von den Substraten selbst beeinflusst. Diese Substrateigenschaften können bei Thermoplasten herstellungsbedingt stark variieren. Daher soll am Beispiel von Polypropylen (PP) der Einfluss der inneren Eigenschaften (Orientierungen, Kristallinität, Eigenspannungen u. a.) auf den Plasmaprozess grundlegend untersucht werden, um über die Plasma-Substrat-Wechselwirkung Formteilgebung und Veredelungsprozess zu korrelieren. Dazu wird die Plasma-Vorbehandlung sowie die Abscheidung von SiOxCyHz-Schichten betrachtet. 



Projektbereich C
Theoretische und experimentelle Beschreibung von Hochleistungsplasmen


C1: Multifrequenz Sputtering zur Abscheidung von keramischen Schichten

Peter Awakowicz

Zur Herstellung funktionaler dünner Schichten mittels PVD werden kapazitiv gekoppelte Multifrequenzplasmen (MFCCP) derzeit nicht verwendet. Die Vorteile kapazitiv gekoppelter Hochfrequenzplasmen gegenüber den weit verbreiteten DC-Magnetronkathoden liegen in der nahezu 100 %igen Targetausnutzung, einer geringeren Targetvergiftung und der Möglichkeit, nichtleitende oder magnetisierbare Targetmaterialien zu verwenden. Weiterhin sollten diese Entladungen über die gezielte Beeinflussung der Randschichtdynamik und damit der Ionenenergieverteilung besser geeignet sein, Strukturen mit hohem Aspektverhältnis wie schmale, tiefe Löcher und Gräben zu beschichten. Diesen Vorteilen steht eine geringere Sputterrate der kapazitiven Einfrequenz-Quelle gegenüber. Durch die Erforschung von Zwei- oder sogar Dreifrequenz-HF-Quellen soll einerseits die Plasmaheizung effektiver werden als auch die Beeinflussung der Ionenenergieverteilung ermöglicht werden. Damit können die Vorteile beider Konzepte, des Magnetrons und der HF-Quellen, kombiniert werden, ohne jedoch deren Nachteile zu übernehmen.

C2: Mikrosystemtechnische parallele in situ Messung von Schichtspannung, -temperatur und elektrischem Widerstand bei Plasmabeschichtungsprozessen

Alfred Ludwig

Es soll ein auf Mikrotechnik beruhendes in situ Messverfahren entwickelt werden, das zeit- und ortsaufgelöst die mechanischen Schichtspannungen, die Temperatur während der Beschichtung - möglichst nahe an der wachsenden Schicht - sowie den elektrischen Widerstand der aufwachsenden Schicht bei Plasma-Beschichtungsprozessen erfasst. Dieses Messverfahren soll universell einsetzbar sein, sowohl bei statischer Sputterkonfiguration, als auch bei rotierender oder dynamischer Konfiguration.

C3: Synthese von Schichten in Hochleistungsplasmen mittels variabler Ionenenergieverteilungen 

Achim von Keudell und Jan Benedikt

Hochwertige Oxide und Nitride werden mittels Magnetronplasmen und kontrolliertem Ionenbeschuss abgeschieden. In dem Projekt ist es geplant, diese ionen-induzierte Strukturbildung genauer zu untersuchen. Dazu wird die Energieverteilung der aus dem Plasma auftreffenden Ionen durch eine variable Steuerung der Substratvorspanung maßgeschneidert und deren Einfluss am Modellsystem Al2 O3 untersucht. Die Ionenenergieverteilungen werden mit einem speziellen Gegenfeldanalysator und einem Plasmamonitor beobachtet sowie die Schichten mit in-situ Infrarotspektroskopie und Ellipsometrie sowie ex-situ Röntgenbeugung.

C4: Kapazitiv gekoppelte Multifrequenz-Plasmen: Modellierung und Simulation neuartiger Sputterquellen

Thomas Mussenbrock und Ralf Peter Brinkmann

Ihre besonderen Eigenschaften haben kapazitive Multifrequenz-Entladungen zu einem Kandidaten für eine Sputterquelle zur Abscheidung nanostrukturierter Funktionsschichten gemacht. Eine Hochskalierung bzgl. Größe, Frequenz und Leistung, sowie das Erreichen einer Sputterausbeute vergleichbar mit der von Magnetron-Sputterquellen wirft allerdings Fragen auf, die mit derzeit verfügbaren Plasmamodellen nicht beantwortet werden können. Im Teilprojekt wird ein angepasstes elektromagnetisches und kinetisches Modell entwickelt und implementiert, um auf Basis des Verständnisses fundamentaler Plasmaphänomene, die Machbarkeit zu zeigen sowie Design-Rules für kapazitive Multifrequenz-Sputterquellen zu formulieren.

C5: Analyse und Design der Verteilungsfunktionen energetischer Ionen und Neutralteilchen 

Ralf Peter Brinkmann und Thomas Mussenbrock

Die Charakterisierung und Optimierung plasmagestützter Schichtabscheideprozesse bedarf der Kenntnis der Verteilungsfunktionen aller auf die beteiligten Oberflächen auftreffenden energetischen Ionen- und Neutralteilchenflüsse. Messungen dieser Verteilungsfunktionen sind aufwendig und nicht mit den Bedingungen industrienaher Prozessentwicklung kompatibel. Alternativen dazu bietet die numerische Simulation. Dieses Projekt untersucht die Verfahren HPPMS (high power pulsed magnetron sputtering), MFCCP (multi-frequency capacitively coupled plasma), und MW-PECVD (micro wave plasma enhanced chemical vapor deposition). Es entwirft und implementiert mathematische Modelle zur numerischen Berechnung der Verteilungsfunktionen und Strategien für ihre Optimierung. 

C6: Simulation der Material- sowie Prozess- und Reaktivgasflüsse während der HPPMS-Beschichtung zur Bestimmung der Eigenschaften der Nanoschichten

Kirsten Bobzin

Ziel des C6 ist die Entwicklung effizienter numerischer Modelle der Material-, Prozessgas-, Reaktivgasflüsse sowie der Targetvergiftung bei der reaktiven HPPMS-Beschichtung. Hierbei werden insbesondere technologische Parameter, die aus der Anlagenkonfiguration herrühren, berücksichtigt. Gleichzeitig durchgeführte plasmadiagnostische Untersuchungen ermöglichen eine Kalibrierung der Modelle, sowie deren Verifizierung. Das C6 trägt durch das so gewonnene Prozessverständnis einen wichtigen Beitrag zum Gesamtziel des SFB-TR 87 bei, eine wissensbasierte und methodische Prozessauslegung zu unterstützen.

C7: Elementare Oberflächenprozesse bei der Vorbehandlung von Kunststoffen und bei der Targetvergiftung während des Magnetron-Sputterns

Achim von Keudell

Elementarprozesse an der Grenzflächen Plasma/Oberfläche werden an zwei herausgehobenen Beispielen untersucht: der Vorbehandlung von Polymeroberflächen und der Targetvergiftung beim Magnetron-Sputtering. Zentrales Experiment ist dabei ein Teilchenstrahlexperiment, das es ermöglicht, quantifizierte Strahlen von Atomen und Ionen zu präparieren und eine Oberfläche damit zu behandeln. Ziel ist dabei, die Haftung einer anorganischen Beschichtung auf einem Polymer zu verstehen, bzw. die Oxidation von Aluminium unter gleichzeitigem Ionenbeschuss zu quantifizieren.