Mechanismen der plasma-aktivierten Gasphasenabscheidung bei Umgebungsdruck – Untersuchungen an dielektrisch behinderten Entladungen mit kurzen Gasresidenzzeiten (“FiloSurf”)

• Antragsteller: Professor Dr. Ronny Brandenburg; Professor Dr. Claus-Peter Klages; Privatdozent Dr. Detlef Loffhagen
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504701852

Plasmaaktivierte Beschichtung (PECVD) bei Umgebungsdruck wird heute für eine Vielzahl von Anwendungen erforscht oder eingesetzt: Produktion von Solarzellen, im Korrosionsschutz, in der optischen und der Glasindustrie oder für Pulverbeschichtung. Trotz beträchtlichen Anwendungspotenzials ist der Stand der Kenntnis physikalisch-chemischer Mechanismen der Schichtabscheidung relativ gering. Oft ist sogar ungeklärt, ob Schichtbildung über Radikale erfolgt oder über Ionen. Für PECVD mittels Hexamethyldisiloxan (HMDSO) hat ein Antragsteller kürzlich einen ionischen Mechanismus nachgewiesen. Dabei wurde die kurze Verweilzeit eines Ar-HMDSO-Gemisches in einer schnell durchströmten, aus einem einzelnen Filament bestehenden dielektrisch behinderten Entladung (EF-DBE) genutzt. Der Nachweis eines kationischen Schichtbildungspfads wird stark gestützt durch die kürzlich vom zweiten Antragsteller durchgeführte zeit- und ortsabhängige Modellierung für eine Mischung aus Argon und Tetramethylsilan in einer planparallelen DBD. Leitidee des Projekts ist, die charakteristischen Eigenschaften von DBEs mit kurzer Verweilzeit, besonders von EF-DBEs sowie dünnen Plasmascheiben, zu nutzen, um das Verständnis der Mechanismen DBE-gestützter PECVD-Prozesse bei Umgebungsdruck in Gemischen von Argon mit verschiedenen molekularen Gasen wesentlich zu verbessern. Der dritte Antragssteller komplettiert die Arbeiten durch das Studium der Entladungsphysik (Regime, Durchbruchsphänomene, Entladungsentwicklung) sowie die Dichtebestimmung von Schlüsselspezies. Zugemischt werden Hexamethyldisilan (HMDS) oder Kohlenwasserstoffe, z.B. Methan, Ethan, Ethen und Ethin. Alle drei Antragsteller besitzen langjährige Erfahrung in Plasma-Oberflächentechnik, experimenteller Plasmaphysik bzw. Plasmamodellierung. Gemeinsame Anstrengungen richten sich auf Untersuchungen zur Rolle angeregter Argonatome als Energieträger für Ionisations-, Dissoziations- und Anregungsvorgänge, sowohl experimentell, besonders mittels Laserabsorptionsspektroskopie, als auch durch numerische Modellierung. Ziel ist es erstmalig die Rolle aller vier niedrigsten Energieniveaus vom Argon (Ar(1s5) - Ar(1s2)) aufzuklären. Schwerpunkte der Studien zum Schichtwachstum sind die Rolle ionischer Deposition in DBE-gestützten PECVD-Prozessen sowie die Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften der erzeugten Schichten. Dabei werden Entladungen mit sinusförmigen und nanosekunden-gepulsten Spannungsversorgungen verglichen. Der geringe Umsatz von Schichtpräkursoren in den DBEs wird genutzt, um Primärreaktionen in komplexen plasmachemischen Reaktionsmodellen spektrokopisch sowie durch Analyse stabiler Produkte mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Kopplung zu untersuchen. Ergebnisse des Vorhabens werden den Kenntnisstand zu DBE-basierten PECVD-Prozessen erheblich ausdehnen und einerseits plasmachemische Modelle validieren und weiterentwickeln helfen, andererseits auch von beträchtlicher Bedeutung für zukünftige Anwendungen sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen