Abscheidung und Charakterisierung von Plasmapolymerschichten auf Fluorkohlenstoff- und Siloxan-Basis

In dieser Arbeit wurden Fluorkohlenstoff-basierte und siliziumorganische Plasmapolymerfilme hergestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionalen Eigenschaften untersucht. Beide untersuchten Materialsysteme sind in der Beschichtungstechnologie von großem wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Interesse. Die Schichtabscheidung erfolgte mittels plasmachemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) an Parallelplattenreaktoren. Bei den Untersuchungen zur Fluorkohlenstoff-Plasmapolymerisation stand die Herstellung ultra-dünner, d. h. weniger als 5 nm dicker Schichten im Vordergrund. Dies wurde durch gepulste Plasmaanregung und Verwendung eines Gasgemisches aus Trifluormethan (CHF3) und Argon realisiert. Die Bindungsstruktur der Schichten wurden in Abhängigkeit der eingespeisten Leistung, die den Fragmentationsgrad der Monomere im Plasma bestimmt, analysiert. Hierzu wurden die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) und Röntgenreflektometrie (XRR) eingesetzt. Es zeigte sich, dass die abgeschiedenen Schichten ein homogenes Wachstumsverhalten und keine ausgeprägten Interfacebereiche zum Substrat und zur Oberfläche hin aufweisen. Die XPS-Analysen deuten darauf hin, dass Verkettungsreaktionen von CF2-Radikalen im Plasma eine wichtige Rolle für den Schichtbildungsprozess spielen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der gewählte Beschichtungsprozess eine gezielte Reduzierung der Benetzbarkeit verschiedener Substrate ermöglicht. Dabei genügen Schichtdicken von weniger als 3 nm zur Erreichung eines teflonartigen Oberflächencharakters mit Oberflächenenergien um 20 mN/m. Damit erschließen sich neue Applikationsmöglichkeiten ultra-dünner Fluorkohlenstoffschichten, was anhand eines Beispiels aus dem Bereich der Nanooptik demonstriert wird. Für die siliziumorganischen Schichten unter Verwendung des Monomers Hexamethyldisiloxan (HMDSO) galt es zunächst, diejenigen Prozessparameter zu identifizieren, die ihren organischen bzw. glasartigen Charakter bestimmen. Hierzu wurde der Einfluss von Leistungseintrag und Zugabe von Sauerstoff als Reaktivgas auf die Elementzusammensetzung der Schichten untersucht. Bei niedrigen Plasmaleistungen und Sauerstoffflüssen werden vor allem kohlenstoffreiche Schichten abgeschieden, was auf eine geringere Fragmentierung der Kohlenwasserstoffgruppen zurückgeführt wurde. Es zeigte sich, dass die Variation des Sauerstoffanteils im Prozessgas eine sehr genaue Steuerbarkeit der Schichteigenschaften ermöglicht. Mittels Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) konnte die prozesstechnische Realisierbarkeit und analytische Quantifizierbarkeit von Wechselschichtsystemen aus polymerartigen und glasartigen Lagen demonstriert werden. Aus dem Intensitätsverhältnis von Si:H-Molekülen zu Si-Atomen im SNMS-Spektrum ließ sich der Wasserstoffgehalt bestimmen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Abscheidung von HMDSO-basierten Gradientenschichten eine deutliche Reduzierung von Reibung und Verschleiß bei Elastomerbauteilen erzielt werden kann.

In this work fluorocarbon and siloxane-based plasma polymer films were deposited and investigated with regard to their structural and functional properties. Both materials are of great scientific and industrial interest in the field of coating technology. The films were deposited via plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) using parallel plate reactors. The investigations on flourocarbon plasma polymerisation were focused on the deposition of ultra-thin films of less than 5 nm thickness. This was achieved by pulsed plasma excitation using trifluormethane (CHF3) and argon gas mixtures. The coatings’ bonding structure was analysed as a function of plasma power, which determines the degree of fragmentation of the monomers. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) and x-ray reflectometry (XRR) were used for this purpose. The deposited films showed an homogenous growth behaviour and no distinct interface zones towards the substrate or the surface could be observed. XPS analyses are indicating that chaining reactions of CF2 radicals in the plasma are playing a major role for the film formation. It was shown that the selected process enables a determined reduction of the wetting behaviour for various substrates. Film thicknesses of less than 3 nm are sufficient to obtain a teflonlike surface character with surface energies of about 20 mN/m. This opens up new areas of application for ultra-thin fluorocarbon films, an example for this in the field of nanooptics has been presented. Hexamethyldisiloxane (HMDSO) was used as precursor for the deposition of the organosilicone coatings. In order to identify the parameters determining the organic/inorganic character of the films, the influence of plasma power and reactive oxygen on their composition was investigated. At relatively low plasma power and little oxygen addition rather organic films are deposited which was ascribed to less fragmentation of hydrocarbon groups. It turned out that the variation of oxygen in the gas mixture enables an accurate control of the film properties. Multi layer systems consisting of organic and glasslike layers were deposited and analysed quantitatively via secondary neutral mass spectrometry (SNMS). The hydrogen content was determined by the ratio of Si:H molecules to Si atoms in the SNMS spectra. It was also shown, that friction and abrasion of elastomer devices can be significantly decreased by the deposition of HMDSO-based gradient layers.