Optische in situ Meßtechniken bei der Entwicklung und Anwendung von plasmaunterstützten Oberflächentechniken für räumlich ausgedehnte und komplexe Geometrien

Die Bedeutung und der gezielte Einsatz von Oberflächenbehandlungen hat sich in nahezu allen Technologiesektoren zu einem Schlüsselbereich entwickelt, insbesondere seitdem die Oberfläche und die randnahe Zone eines Bauteils als maßgebliches System für viele erfolgreiche Applikationen verstanden werden.

Die Basis für eine systematische Klassifizierung der Fertigungsverfahren wird durch DIN 8580 gebildet und beschrieben (Auszug in Bild 3). So lassen sich nach dieser Norm die Vielzahl der Fertigungsverfahren in Klassen (Haupt und Untergruppen) sowie in eine weitere Untergliederung einteilen /12, 13/.

Im folgenden Hauptkapitel wird der technische Stand zweier Gruppen wichtiger plasmaunterstützter Oberflächenbehandlungen, der Thermo-Difrusion am Beispiel der Nitrierung von Eisenwerkstoffen und der Abscheidung aus der aktivierten Gasphase für harte amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H) dargestellt. Eine optimierte Kombination dieser Prozesse fuhrt zu Schichtverbundsystemen, deren Aufbau und deren Haupteigenschaften aufgezeigt werden. Die Charakterisierung der Schichteigenschaften und der Schichtverbundsysteme schließt diesen Bereich ab.

Im gesamten Plasmavolumen werden Moleküle und Atome durch Stöße mit energiereichen Elektronen dissoziiert und angeregt. Als Folge davon werden einzelne Teilchen sehr reaktiv und wechselwirken mit anderen Teilchen in der Gasphase oder an der Oberfläche eines Festkörpers; das Plasma läßt sich dann für verschiedenste Aufgaben bei der Oberflächenbehandlung einsetzen.

Die erzielbaren Ergebnisse plasmadiagnostischer Untersuchungen sind eng mit den vorhandenen Aufbauten (Größe) und der meßtechnischen Realisierbarkeit verknüpft /177-179/. Dies schließt die Beschränkungen ein, die durch die Wahl der Diagnostikmethode für die Bestimmung der reaktiven Gaszustände (Teilchen, Reaktionen...) entstehen. So muß z. B. für die optische in situ-Emissionsspek-troskopie berücksichtigt werden, daß der Anteil spontan emittierender Teilchen nur einen Bruchteil des gesamten chemischen Systems darstellt /8/.

Der Nutzen der passiven optischen Plasmadiagnostik in der Entwicklungs- und Optimierungsphase einer Oberflächenbehandlung besteht darin, durch die Detektion von Emissionslinien, die durch innere Wechselwirkungen im Plasma entstehen, eine zeitlich unmittelbare Zustandsinformationen zu erhalten. Mittels dieser Meßgrößen läßt sich die Prozeßführung direkt auf die phänomenologische Wirkung relevanter Parameter zurückzufuhren. Solche Zusammenhänge lassen sich sowohl für Intensitätsverläufe als auch für die Quotienten ausgesuchter Atom- oder Molekülemissionen aufzeigen.

Die bisherigen Kapitel zeigten Einzelaspekte verschiedener Teilschritte bei der Entwicklung eines plasmaaktivierten Abscheideverfahrens. Es wurde die Charakterisierung der inneren Aktivität als Funktion äußerer Prozeßgrößen sowie ihre Relation zu den phänomenologischen Effekten auf dem Basiswerkstoff ermittelt. Ergänzend dazu sollen die Ergebnisse der Kombination der beiden Verfahren Nitrieren und Beschichten zusammengefaßt und dokumentiert werden.

Obwohl plasmaunterstützte Oberflächenverfahren konventionelle Techniken in wichtigen Bereichen substituiert und durch neue Einsatzgebiete ergänzt haben (Reinigen, Aktivieren, plasmaunterstützte Thermo-Diffusion...), ist insbesondere der Übergang zur Beschichtung in großvolumigen Reaktoren und damit zu kompakten Kombinationsprozessen noch nicht vollzogen. Die Implementierung dieser Verfahrenstechnologie in den Produktionsablauf, die sich gerade durch niedrige Verfahrenstemperaturen und kurze Prozeßzeiten für eine Vielzahl von Produkten eignet, ist bisher nicht gelungen. Dies ist auf die unzureichenden experimentellen Ergebnisse zurückzuführen, die den Qualitätsanforderungen in industriellen Aufbauten nicht genügen. Darüber hinaus existiert bisher noch keine ausreichende Anzahl an (PACVD-) Schichtsystemen.