Aufskalierung plasmapolymerer Beschichtungsverfahren (PDF)

Die Plasmapolymerisation ist eine technisch interessante und akzeptierte Beschichtungstechnik. Das Verfahren erzeugt auf umweltfreundliche Art und Weise die unterschiedlichsten Dünnschichten mit den vielfältigsten Oberflächenfunktionen. Hinderlich für die breite und wirtschaftlich erfolgreiche Einführung ist unter anderem die Unsicherheit in Bezug auf die Aufskalierung solcher Plasmapolymerisationsprozesse auf großvolumige Reaktoren.
Wissenschaftliche Arbeiten haben sich bisher hauptsächlich mit der Steigerung der Abscheiderate auseinander gesetzt und somit einen Beitrag zur effizienten Gestaltung von Plasmaprozessen geliefert. Ferner wurden Kenngrößen entwickelt, insbesondere der Yasuda – Parameter, um einen Plasmaprozess auf verschiedenen Reaktoren mit ggf. unterschiedlichen Anregungsarten zu beschreiben und miteinander zu vergleichen. Bei all den Arbeiten liegt das Hauptaugenmerk auf energieintensive Plasmaprozesse und deren Abscheiderate. Energiearme Prozesse dagegen werden nur sehr selten betrachtet, da sie unter anderem nur geringe Abscheideraten zulassen. Trotzdem bieten sie technisch interessante Anwendungsmöglichkeiten, so dass gerade ihrer Aufskalierung eine besondere Bedeutung zukommt.
Hieraus ergab sich die Motivation, die Aufskalierung energiearmer Plasma - Prozesse zu untersuchen. Gerade solche Prozesse benötigen großvolumige Reaktoren, damit sie ihren Nachteil der geringen Abscheiderate durch große Stückzahlen pro Batch ausgleichen können.
Ausgangspunkt für diese Arbeit war ein spezieller plasmapolymerer Beschichtungsprozess, der bereits auf einem kleinvolumigen Laborreaktor entwickelt worden war. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Ausführungsform der so genannten plasmapolymeren Trennschicht (DE 10034737). Der ausgewählte Beschichtungsprozess ist der Kategorie der strukturerhaltenden Plasmapolymerisationsprozesse zuzuordnen; er arbeitet im Precursorüberschuss.
Bei der Entwicklung dieser Beschichtung hatte sich gezeigt, wie empfindlich die Eigenschaften des Schichtsystems auf Veränderungen der Gaszusammensetzung und der eingekoppelten elektrischen Leistung während des Beschichtungsprozesses reagieren. Somit stand mit der Auswahl dieses Prozesses ein Beschichtungssystem zur Verfügung, welches ein enges Prozessfenster aufweist und dessen Eigenschaften durch Anwendungsprüfungen, als auch physikalisch-chemische Analytik eindeutig beschrieben werden kann. Dabei sind die Schichteigenschaften unabhängig vom ausgewählten Substrat.
Mit Hilfe dieses Beschichtungsprozesses wurde untersucht, ob und in welcher Weise ein solcher Plasmapolymerisationsprozess auf großvolumige Reaktoren aufskalierbar ist und ob hieraus generelle Regeln oder Vorgehensweisen abgeleitet werden können.
Hierzu wurde zunächst der ausgewählte Prozess bzw. die hiermit hergestellte Beschichtung mit Hilfe von FTIR und XPS – Spektroskopie, sowie Massenspektroskopie charakterisiert. Aus dieser Beschreibung wurde ein Schichtmodell entwickelt.
Anschließend wurde der Plasmaprozess durch die Anwendung einer Vorgehensweise, die im Kern auf einem massenspektrometischen Vergleich beruht und sich hierdurch von der bisher bekannten volumenproportionalen Aufskalierungstrategie nach Yasuda deutlich unterscheidet, aufskaliert.
Nach der Aufskalierung wurden bekannte Reaktionskenngrößen zur Anwendung gebracht. Dabei zeigte sich, dass sie die gefundene Aufskalierungssituation nicht beschreiben können und nicht auf alle äußeren Prozessparameter reagieren.
Aufgrund dessen wurde aus theoretischen Überlegungen eine neue Kenngröße V entwickelt. Die neu entwickelte Kenngröße V konnte die Prozessskalierung für den ausgewählten strukturerhaltenden Plasmapolymerisationsprozess beschreiben.