Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces
Die Beschichtungskompetenzen des Fraunhofer-Verbunds Light & Surfaces liegen neben den physikalischen Beschichtungsverfahren auf den gasbasierten und flüssigkeitsbasierten Beschichtungsverfahren.
Am Fraunhofer IST stehen so beispielsweise verschiedene Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung zur Verfügung. Beim Heißdraht-CVD-Verfahren werden die zur Schichtbildung eingesetzten Reaktivgase in Kontakt mit, vor der Substratoberfläche platzierten, heißen Drähten gebracht. Eine Kette von Oberflächen- und Gasphasenreaktionen führt zur aktivierten CVD-Abscheidung. ALD-Verfahren werden am Fraunhofer IOF zur Herstellung von innovativen und verbesserten, optischen Nanostrukturen eingesetzt. Beispiele sind hier Hochleistungsgitter für Laseranwendungen oder Weltraummissionen. Darüber hinaus werden am Fraunhofer IOF Hochvakuumbedampfungsanlagen mit Widerstands- und Elektronenstrahlverdampfern oder Plasmaionenquellen für verschiedene Beschichtungsaufgaben eingesetzt. Als Beispiel ist hier das thermische Aufdampfen organischer Verbindungen zu nennen.
Beim PECVD-Verfahren unterstützt ein Plasma die Abscheidung von Schichten aus der Gasphase. Dabei werden Precursoren in Form von Gasen oder Dämpfen verwendet, die die Elemente des Schichtmaterials enthalten.
Nasschemische Beschichtungstechnik
Im Bereich nasschemischer Beschichtungen setzt das Fraunhofer IST u.a. galvanische Verfahren ein. Diese sind Atmosphärendruckprozesse in wässriger Umgebung zur Abscheidung von Metallen. Dabei werden in Elektrolyten gelöste Metallionen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes auf einem Substrat abgeschieden. Anwendungsgebiete sind hauptsächlich der Korrosionsschutz, der Verschleißschutz sowie dekorative Schichten.
Mit ionischen Flüssigkeiten, d.h. Salzen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, lassen sich mittels galvanischer Beschichtung auch solche Metalle abscheiden, die sich aus wässrigen Elektrolyten nicht abscheiden lassen, wie z. B. Aluminium.
Layer-by-Layer-Verfahren, die ebenfalls am Fraunhofer IST entwickelt und eingesetzt werden, basieren auf dem Einsatz von Polyelektrolyten. Das sind Polymere mit positiv oder negativ geladenen, ionischen Gruppen. In wässrigen Lösungen adsorbieren sie in der Regel sehr stark an entgegengesetzt geladenen Oberflächen. Auf diese Weise entstehen einlagige Polyelektrolytschichten. Polyelektrolyt-Multilagen (PEM) bilden sich durch aufeinanderfolgende Adsorption von positiv und negativ geladenen Polyelektrolyten.
Beschichtungs-Systemtechnik
Am Fraunhofer IWS werden Prototypen von Reaktoren für Oberflächenbehandlungen wie Feinreinigung, Funktionalisierung oder Ätzen und zur Herstellung von oxidischen und nicht-oxidischen Schichten, Nanopartikeln und Nanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) sowie Karbonfasern entwickelt. Den Oberflächeneigenschaften vieler Werkstoffe und Materialien kommt für deren Anwendung eine besondere Bedeutung zu. Durch funktionale Dünnschichten lassen sich Oberflächen beispielsweise mit leitfähigen, kratzfesten oder selbstreinigenden Eigenschaften ausstatten. Die Entwicklung nanostrukturierter Materialien mit definierter Oberflächenchemie ist die Voraussetzung, um die Effizienz von Doppelschichtkondensatoren und Batterien der nächsten Generation entscheidend zu verbessern.
Zur Abscheidung von Nanometer-Einzel- und Multischichten für EUV- und Röntgenoptiken werden Verfahren der Magnetron- und Ionenstrahl-Sputter-Deposition sowie der Puls-Laser-Deposition eingesetzt. Die Schichtsysteme genügen höchsten Ansprüchen hinsichtlich Schichtdickengenauigkeit, Rauheit, chemischer Reinheit, lateraler Homogenität und Reproduzierbarkeit. Neben der Entwicklung und Herstellung von Präzisionsschichten bieten wir langjährige Erfahrungen auf den Gebieten der Charakterisierung und Modellierung von Nanometerschichten an.
Am Fraunhofer IWS werden hierfür Gasphasen- (CVD) und Flüssigphasen-Verfahren entwickelt, mit denen sich großflächig Beschichtungen auf Basis neuer Materialien auftragen lassen. Schwerpunkte sind transparente, funktionale Dünnschichten und poröse Kohlenstoffschichten für elektrische Energiespeicher.
Plasmaunterstütztes CVD
Plasmaunterstützte, chemische Gasphasenabscheidung (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) mittels Mikrowellen- oder Hochfrequenz (HF)-Plasma ist ein etablierter Prozess, um siliziumbasierte Polymerschichten für verschiedene Anwendungen abzuscheiden. Gasförmige Monomere werden in einen Reaktionsraum eingelassen und durch ein Plasma ionisiert, angeregt oder zersetzt, die Fragmente scheiden sich anschließend an der Substratoberfläche ab. Die Schichten weisen gegenüber chemisch vernetzten Polymeren eine höhere Dichte, höhere Härten und eine höhere Barrierewirkung auf. Vor allem eignet sich das Verfahren zur Großflächenbeschichtung temperaturempfindlicher Materialien. So können beispielsweise Permeationsbarriereschichten oder auch optische Schichten bzw. Schichtsysteme auf Kunststofffolien aufgebracht werden. Die Schichteigenschaften können durch Anpassung der Plasmaanregung und durch Veränderung der Zusammensetzung des Prozessgases relativ einfach variiert werden.
Die PECVD-Beschichtung gehört zu den Kerntechnologien des Fraunhofer FEP, welches verschiedene Varianten der Plasmaunterstützung entwickelt hat. Das Magnetron-unterstützte Verfahren (magPECVD) hat den Vorteil, dass über große Flächen gute Schichthomogenitäten und gute Beschichtungsraten erzielt werden können. Zudem kann das Verfahren problemlos aufgrund gleicher Prozessdrücke mit anderen Beschichtungsverfahren, wie dem Magnetron-Sputtern, kombiniert werden.
Bei der arcPECVD können sehr dichte Plasmen erzielt werden, wodurch sehr hohe Beschichtungsraten erreicht werden können. Der Prozessdruck lässt sich bei diesem Verfahren in weiten Grenzen variieren, sodass das Verfahren ebenfalls kompatibel mit anderen Vakuumbeschichtungstechnologien ist.
Das Hochfrequenz-PECVD zeichnet sich durch eine noch stärkere Variabilität im Prozessdruck aus und lässt eine sehr große Auswahl an Monomeren zu.