Was beim Beschichten von Oberflächen mittels Plasmen passiert

Wie sich bei der plasma­gestützten Beschichtung von Ober­flächen die Teilchen in der Gasphase ausbreiten, hat Dr. Jan Trieschmann in seiner Doktorarbeit an der Ruhr-Universität Bochum mit einem Computer­modell analysiert. Ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse kann helfen, den Abscheide­prozess so genau wie möglich auf die jeweilige industrielle Anwendung anzupassen. Für seine Arbeit erhielt Trieschmann den mit 3000 Euro dotierten Gebrüder-Eickhoff-Preis, den die Firma Eickhoff seit 1989 jährlich für her­aus­ragende Dissertationen aus den Bereichen Maschinenbau sowie Elektro­technik und Informations­technik verleiht.

Reflexionsarme Brillengläser, wärme­isolierende Fenster­scheiben oder leistungs­starke Mikro­prozessoren in mobilen Geräten sind nur drei Beispiele für Anwendungen, bei denen beschichtete Ober­flächen für die Funktion ent­schei­dend sind. „Funktio­nalisierte Dünn­schichten, die mit der Plasma­technik aufgetragen werden, beeinflussen ge­zielt Eigen­schaften wie Licht­reflexion, elek­trische Leit­fähigkeit, Härte oder Elastizität“, sagt Jan Trieschmann, der seine Doktorarbeit am Lehr­stuhl Theo­retische Elektro­technik anfertigte. „Ohne Plasma­prozesse wären viele moderne Applika­tionen gar nicht möglich“, ergänzt er.

Insbesondere die physi­kalische Gas­phasen­abschei­dung wird häufig für das Aufbringen dünner Schichten verwendet. Dabei werden die zu beschich­tenden Bauteile zusam­men mit soge­nannten Targets – häufig aus Metall – in eine Prozess­kammer eingebracht. Bei starkem Unter­druck wird ein Plasma erzeugt, welches beim Kontakt mit der Target­ober­fläche einzelne Atome aus dieser her­aus­schlägt, sodass sie in die Gas­phase gelangen. Das zer­stäubte Metall bildet eine sehr dünne Schicht auf dem Werk­stück.

Ziel von Trieschmanns Arbeit war es, den Transport der Teilchen durch die Gas­phase mit theo­retischen Berech­nungen zu verstehen. Er ent­wickelte ein Computer­modell, das vor­her­sagt, wie sich die Teilchen der betei­ligten Atom­sorten, beispiels­weise Argon, Stick­stoff, Alumi­nium, Titan oder Chrom, in der Prozess­kammer ausbreiten.

Aufgrund des niedrigen Gasdrucks können die Prozesse nur mit besonders rechen­intensiven Methoden zuver­lässig theoretisch beschrie­ben werden. Trieschmann verwendete sogenannte Monte-Carlo-Methoden, mit denen er einzelne Teilchen verfolgte, deren Lauf­bahnen durch Stöße gestört werden. „Diese Stöße muss man sich ähnlich wie bei Billard­kugeln vor­stellen, die aufeinander­prallen. Sie werden durch Zufalls­zahlen festgelegt, deshalb der Name Monte Carlo“, erklärt er.

Mithilfe der berech­neten Vorher­sagen ist es möglich, die Abscheide­prozesse im Detail zu verstehen. Durch virtuelle Modell­variationen konnte Jan Trieschmann auch die Einflüsse bestimm­ter Stell­größen wie Reaktor­geometrie oder zeitlich modulierte Plasma­anregung unter­suchen und Vorschläge für Parameter ableiten, die in der Praxis zu optimalen Ergeb­nissen führen würden.

Die Arbeiten erfolgten im Rahmen des Sonder­forschungs­bereich/Transregio 87 „Gepulste Hoch­leistungs­plasmen zur Synthese nano­strukturierter Funktions­schichten“, in dem Trieschmann auf Daten aus experimen­tellen Unter­suchungen von Kolle­ginnen und Kolle­gen zurück­greifen konnte. „Das hat es uns ermög­licht, eine Reihe grund­legender physi­kalischer Transport­mechanismen zu verstehen“, resümiert der Forscher. „Im Dialog mit Partnern aus der Industrie tragen diese Ergeb­nisse un­mittel­bar zum wissens­basierten Schicht­design bei. Die Techno­logie kann so ge­zielt weiter­entwickelt werden, ohne dass die richtigen Para­meter durch Erfolg und Irrtum gefunden werden müssen.“

Jan Trieschmann arbeitet inzwischen an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus.

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