Entwicklung von Abscheidemodellen für die DBD an ausgewählten Systemen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Teilprojektes 1 des AiF/DFG-Clusterprojekts „Optimierung der Gasausnutzung bei Atmosphärendruck-Plasmaprozessen - OGAPlas“ ist ein neuartiges Reaktorkonzept für Plasmabehandlungen oder PACVD-Prozesse, basierend auf dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung (DBE) bei Atmosphärendruck, entwickelt und angewendet worden. Durch das Einsetzen zweier neuartiger Module, eines „Gradientenmischers“ und eines „Homogenisators“, in die Gaszuführung wird ermöglicht, einen laminaren Gasstrom mit einem senkrecht zur Strömungsrichtung orientierten Konzentrationsgradienten eines Schichtpräkursors oder einer anderen relevanten Gasspezies in einen DBE-Plattenreaktor einzuspeisen. Der Gradientenmischer besteht aus zwei übereinandergelegten Gasverteilern und gewährleistet ein kontrolliertes Mischen definierter Volumenflüsse zweier eingeleiteter Gase über angepasste Querschnittsflächen einzelner Gaskanäle. Das hieraus resultierende stufenförmige Konzentrationsprofil wird anschließend im Homogenisator unter Ausnutzung der mechanischen Dispersion in einem statistischen Kugelbett aus Glaskugeln unterschiedlicher Durchmesser zu einem linearen Profilverlauf geglättet. Durch die Verwendung solch eines Gasflusses mit linearem Konzentrationsgradienten in der Gaszusammensetzung senkrecht zur Strömungsrichtung wird die Oberflächenbehandlung oder –beschichtung über einen durchgehenden Bereich verschiedener Gaszusammensetzungen in einem einzigen Experiment ermöglicht. Somit ist auch das Clusterziel der Gaseinsparung durch den Einsatz des Strömungsreaktors mit stufenlos einstellbaren Konzentrationsgradienten berücksichtigt wurden. Bei der Entwicklung und im Rahmen von Optimierungsarbeiten zum Gradientenreaktor wurden CFD-Simulationen mit der kommerziell erhältlichen Simulationssoftware COMSOL Multiphysics durchgeführt. Zwei weitere DFG-geförderte Projekte am Institut für Oberflächentechnik IOT der TU Braunschweig konnten aufbauend auf einigen der hier durchgeführten CFD-Simulationen bzw. konstruktiver Vorarbeiten im Reaktordesign profitieren. Basierend auf experimentellen Befunden aus Depositionsexperimenten unter Verwendung des Gradientenreaktors mit verschiedenen Präkursoren wurde eine phänomenologische Klassifizierung des charakteristischen Schichtdickenprofils in drei unterschiedliche Typen als sinnvoll erachtet. Das Abscheideverhalten wird in Abhängigkeit des verwendeten Präkursor-Trägergas Gemisches entweder dominiert durch Elektronenstoß-Prozesse („Typ I“), Penning- bzw. Chemi-Ionisation („Typ II“) oder radikalische Oberflächenreaktionen („Typ III“). Untersucht wurde die Plasmapolymerisation der Präkursoren Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetramethylsilan (TMS), Glycidylmethycrylat (GMA), Furfurylmethacrylat (FMA) und trans-2-Hexen-1-al (Hexenal). Die Ableitung eines detaillierten kinetischen Modells wurde auf den häufig eingesetzten Präkursor Hexamethyldisiloxan beschränkt. Experimentelle Studien zur Plasmapolymerisation aus Hexamethyldisiloxan in Argonatmosphäre wurden unter Verwendung eines analytischen Submodells der plasma-chemischen Kinetik der chemischen Reaktionen innerhalb der Entladung interpretiert. Die Ausprägung der erhaltenen Wachstumsratenprofile und ihre Abhängigkeit vom Monomer- (Präkursor-)Molenbruch xM weisen direkt auf eine Involvierung von langlebigen niederenergetischen Argonspezies in den Depositionsmechanismen hin. Reaktionen des Monomers mit Ar-Atomen in metastabilen und resonanten angeregten Zuständen sowie mit Argon-Excimeren wurden in einem analytischen Submodell behandelt, welches durch die Einführung einer einzigen fiktiven angeregten Spezies Ar* (lumped species) vereinfacht werden kann. Quantitative Ergebnisse aus diesem Modell wurden mit experimentellen Ergebnissen verglichen und führten zu der Schlussfolgerung, dass im Modell Rekombinationsreaktionen von Dissoziationsprodukten zur Erklärung der charakteristischen Eigenschaften der Wachstumsratenprofile mitberücksichtigt werden müssen.
Publications
- “Design and testing of a new type of DBD-PACVD flow reactor employing transverse concentration gradients”, 14th International Conference on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, 2014
J. Philipp, A. Laukart, M. Thomas, C.-P. Klages
- “Combinatorial studies of polymer surface treatment using µ-plasma-printing“, 17. Fachtagung für Plasmatechnologie, Kiel, 2015
S. Kotula, J. Philipp, M. Thomas, C.-P. Klages
- “Design and testing of a new type of DBD flow reactor for combinatorial plasma treatment and deposition at atmospheric pressure”, 22nd International Symposium on Plasma Chemistry, Antwerpen, Belgien, 2015
J. Philipp, C.-P. Klages
- “Influence ofHMDSO admixtures on the discharge characteristics of a barrier discharge in argon for thin film deposition”, Proc. 32nd ICPIG, Iaşi, Romania (2015) P4.17
M. M. Becker, J. Philipp, C.-P. Klages, F. Sigeneger and D. Loffhagen
- “Combinatorial methods for DBD-based surface technology“, Workshop Plasma Surfaces in Healthcare and Industry, Braunschweig, 2016
C.-P. Klages, A. K. Czerny, S. Kotula, J. Philipp
- “Effect of metastable-driven film deposition on growth-rate profiles“, 15th High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry Symposium, Brno, Tschechische Republik, 2016
J. Philipp, C.-P. Klages
- “Plasma Nitrogenation of Polymer Surfaces with a New Type of Combinatorial Plasma-Printing Reactor”, Plasma Process. Polym. 2016, 1–12
S. Kotula, M. Lüdemann, J. Philipp, M. Thomas, C.-P. Klages
(See online at https://doi.org/10.1002/ppap.201600137) - “Plasma Polymerization at Atmospheric Pressure with a New Type of DBD Reactor for Combinatorial Studies: Classification of Precursor Concentration Dependencies”, Plasma Process. Polym. 2016, 13, 509
J. Philipp, A. K. Czerny, C.-P. Klages
(See online at https://doi.org/10.1002/ppap.201500136)
